1 引言
     瓦锡兰电励磁同步电机磁场定向矢量控制系统得以有效实现的关键在于电动机磁链信息的准确获取。对电励磁同步电动机磁链观测常用的方法有电流模型、电压模型。电流模型在低速时能够快速的跟随给定，使同步电动机快速启动，但其受电机参数影响较大，特别是转子绕组和阻尼绕组参数影响较大，使系统无法很好地工作。传统的电压模型进行磁链观测，会使得观测的磁链轨迹将不再是以圆心为中心，当电机运行频率很低时这种现象尤其明显，甚至在电机运行于高速时磁链轨迹仍然漂移。
    目前通常采用文献提出的一种新的积分策略，瓦锡兰的放大通路就是以简单的惯性环节，另外由输出引入一反馈信号，对惯性环节带来的幅值和相位进行补偿，但是这种新的积分方法在用于对定子磁链的检测时也具有零漂现象，和采用纯积分时的结果几乎一致。文献[2]中所述用低通滤波器代替纯积分环节的方法，但需要动态调整低通滤波器的截止频率来降低磁链的观测误差，会导致相位滞后，幅值变小，当电机处在静止和低速的状态下，电机的磁链不是正弦，所以也不能够采用这种方式对电机磁链进行估算。
    本文在电流模型和改进电压模型的基础上，提出了两种将这两种模型联合起来构成适用于全程范围内的混合磁链观测器模型，使其在低速时表现出电流模型的特点，瓦锡兰在高速时表现出改进电压模型的特点，并使两者能平稳切换。
2 同步电机矢量控制原理
    磁场定向控制就是以定向磁场坐标系统建立的数学模型为基础，对交流电机定子电流独立控制的方法。定子磁链定向和气隙磁链定向的同步电机功率因数高，可实现单位功率因数运行，负载增加时，定子电压幅值维持不变，有利于提高大容量同步电动机的利用率，减少变流器装置及变压器的容量。
    通常，矢量控制采用的定向坐标系（mt坐标系）与同步电动机转子同步旋转，且m轴指向定子磁链的方向。根据直流电动机的原理，希望通过控制转子励磁电流和定子电流励磁分量的大小，维持定向磁链为恒值，通过调节定子电流转矩分量的大小控制电动机的转矩。
3 同步电动机的磁链观测模型
    矢量控制技术得以有效实现的基础在于电动机磁链信息的准确获取。瓦锡兰为了进行定子磁场定向和磁链闭环控制，需要知道定子磁链的大小和位置，所以磁链观测问题的研究非常有必要。
3.1 电流模型
d-q旋转坐标系下阻尼绕组电压方程以及磁链方程分别为
(1)
(2)
　　由于阻尼绕组电流id、iq是无法测量的，因此只有通过估算来得到，在工程应用容许下忽略阻尼绕组的漏抗，并结合式(1)、(2)可求得d-q旋转坐标系电流模型的观测磁链为
(3)
(4)
　　其中，isd、isq、ifd分别为分解到d-q轴上的电流分量以及励磁电流；lmd、lmq是d-q轴上的互感；tdd、tdq分别为阻尼绕组d-q轴的开路时间常数；φl为负载角。
由上式可得凸极同步电机d-q轴的电流模型如图1所示。
　　由于电流模型是根据定子电流和转速信号来计算磁链，瓦锡兰与定子电压无关，不论转速高低都能正常工作，但受电动机参数的影响。特别是由于转子温升高，转子电阻变化范围大，给电流模型带来较大误差。
3.2 改进电压模型
    由于纯积分环节的存在，传统电压模型存在直流偏置误差和初始值积分误差两个问题。为了克服这两个问题，文献[4]提出一种改进电压模型磁链观测模型。
    改进电压模型原理如下所述，令a-b坐标系为静止的定子坐标系，m-t坐标系为同步旋转坐标系。磁链矢量y位于m轴上，js代表m与a轴的交角，则
其中：ω为磁链空间矢量的旋转角速度；e为电势空间矢量。
    由式(7)、(8)可以看出，通过对反电势em积分可以得到磁链的幅值，瓦锡兰对同步转速ω进行积分可以得到磁链的相位角js。因此，构造如图2所示的磁链观测模型。为了稳定性要求，引入了校正环节k。
依据劳斯判据，可以证明改进电压模型的稳定条件为
(9)
由于采用了磁链定向，稳定时em为零，因此稳定条件简化为
k＞ωσ (10)
由于σ（σ为数字控制系统采样开关的时间常数）很小，该条件很容易满足。
    电压模型是基于定子电动势矢量的积分，当电机转速相对值n>10%，定子电压较高，定子电阻及漏感参数对电动势计算影响较小，电压模型较准确；当转速n<5%时，定子电阻及漏感参数的影响大，特别是在电动机堵转时电动势为零，电压模型不能正常工作。
3.3 电流模型和电压模型的切换
    为获取准确的磁链信息，提出了一种如图3所示的混合磁连观测器。由瓦锡兰电流模型和改进电压模型组成，其中前者作为隐含的给定，尤其在低速的时候可以提供比较准确的值；而后者则有比较宽的调速范围。通过合理的选择切换方法，能够有效地结合两者不同速度段的优势，适用于全速范围内的磁链观测，而且对电机参数具有一定的鲁棒性。
由图3知，切换模型的输出的磁链ys为
ys.cm=ys.im+k(ys.vm-ys.im) (11)
在nnh时，k=1，ys.cm=ys.vm改进电压模型工作；nl
4 转子励磁电流控制方式
    在实际矢量控制系统中，一般希望同步电动机工作在单位功率因数下，因此为保证电机单位功率因数运行，在转速和负载转矩发生变化时必须调节励磁电流的大小。本文采用基于定子磁链定向的控制方式，定子磁链定向控制的矢量图如图4所示。其中，m-t为定子磁链旋转坐标系，定子磁链矢量与转子至轴d轴间的夹角为ds，定义为负载角。
由图4可以得知，定子磁链在q轴上的分量可以表示为
yssinds=lsqissin(ds+π/2)=lsqiscosds (12)
转矩方程
(13)
由式(12)、(13)可以得到
(14)
当电机处于稳态运行时，阻尼绕组电流为零。可以得到励磁电流
(15)
将式(14)代入式(15)，最终得到参考励磁电流
(16)
    由式(16)可以看出，瓦锡兰励磁电流给定i*f随着定子磁链幅值ys和电磁转矩te的变化而变化。当负载转矩变大时，负载角也会随着增大，励磁电流if能够提供的定子电流将减小，为了维持定子磁链的幅值不变，将通过增大励磁电流来维持磁链的恒定，从而使得电励磁同步电动机在单位功率因数下运行。
5 仿真及结果分析
    为验证本文提出的基于切换模型的电励磁同步电机矢量控制的可行性以及这种控制方式的性能，本文搭建了基于matlab/simulink的电励磁同步电动机矢量控制系统的仿真平台。仿真所用电励磁同步电动机参数如附表所示。
    电机转速仿真波形如图5所示。在t=1s前是预励磁阶段。转速斜坡给定为300 rad。由速度波形可以看出，实际速度经过短暂的动态调节过程很好地跟随给定，整个大范围的加减速及稳态过程中该混合磁链模型具有良好的吻合度，并可应用于全速范围。
    电励磁同步电动机矢量控制系统的电流和转矩波形分别如图6(a)与6(b)所示，瓦锡兰负载转矩为20n·m，1s突加负载，8s时突减负载为0n·m。负载突变后，结合速度波形可以看出该控制系统具有良好的动态性能。图6中快速的转矩电流响应间接反映了本系统具有良好的转矩响应性能，同时证明了本文所采用的混合磁链观测器具有较强的鲁棒性。
    系统的磁链幅值及磁链角的波形如图7所示，采用提出的磁链观测器，无论是在低速段还是在高速段，都能够精确的观测定子磁链，保证磁链角的准确性。在运行过程中，该磁链观测器消除了由于纯电压积分电路带来的直流漂移和积分初值误差，使得定子磁链能够保持良好的正弦度，稳态实际速度与给定有良好的一致性。
6 结束语
   本文将电流模型与改进电压模型的切换模型进行磁链观测，瓦锡兰使得同步电机矢量控制系统具有优良的调速性能，该磁链观测器有效的结合了电流电压模型在不同速度段的优势，能够在较宽的速度范围内精确观测定子磁链。最后通过仿真，验证了切换磁链模型的正确性，该矢量控制系统有良好的动稳态性能。