感應電機矢量控制需要準確的轉(zhuǎn)速值以實現(xiàn)閉環(huán)控制。實際中一般利用轉(zhuǎn)速傳感器測量電機轉(zhuǎn)速，如旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等，這些裝置技術成熟，測量精度較高，但在一些對環(huán)境、空間以及可靠性要求苛刻的場合，存在測量精度下降、線路維護困難等問題，特別是當發(fā)生浸水、振動偏心等情況時無法正常工作，這些問題均會降低電機系統(tǒng)的可靠性，限制其應用范圍。

為提高電機系統(tǒng)的可靠性，可采用無速度傳感器轉(zhuǎn)速估計方法作為替代或者冗余。目前轉(zhuǎn)速估計方法主要有兩類，第一類方法基于電機數(shù)學模型進行計算，如全階狀態(tài)觀測器、擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter, EKF）、滑模觀測器和模型參考自適應系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System, MRAS）等方法，這類方法依賴電機數(shù)學模型的準確性，在使用過程中不可避免地受到電機參數(shù)變化的影響；第二類方法利用電機固有的磁凸極結(jié)構(gòu)特性獲取電機轉(zhuǎn)速信息，如轉(zhuǎn)子槽諧波（Rotor Slot Harmonics, RSH）法和高頻信號注入法等，這類方法對電機參數(shù)變化具有較強的魯棒性，在可靠性和穩(wěn)定性上具備一定優(yōu)勢。

籠型感應電機的轉(zhuǎn)子各向異性較弱，適宜利用轉(zhuǎn)子齒槽效應產(chǎn)生的磁凸極進行轉(zhuǎn)速估計，而高頻信號注入法會增加電機的轉(zhuǎn)矩脈動，同時對轉(zhuǎn)子凸極效應要求較高，所以本文沿襲轉(zhuǎn)子槽諧波法的思路開展研究。

自20世紀90年代起，國內(nèi)外學者開始嘗試利用定子電流中的轉(zhuǎn)子槽諧波估計電機轉(zhuǎn)速。該方法操作簡便，成本低廉，然而其應用范圍受到電機結(jié)構(gòu)限制，當轉(zhuǎn)子槽數(shù)與電機極對數(shù)的比值為奇數(shù)或分數(shù)時，定子各槽中的轉(zhuǎn)子槽諧波感應電動勢相互抵消，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子槽諧波電流。此外電機定子電流中的轉(zhuǎn)子槽諧波幅值很小，尤其當電機輕載或定子相電壓較小時，與附近頻域的諧波及電磁噪聲相比幅值區(qū)分度不大]，降低了轉(zhuǎn)速測量的準確性和可靠性。

針對基于定子電流的轉(zhuǎn)子槽諧波法存在的問題，有學者提出引出定子繞組的抽頭進行連接作為探測線圈，所得轉(zhuǎn)子槽諧波信號不會由于電機結(jié)構(gòu)抵消為零，同時對信號處理有一定簡化作用，但只能應用于三相電機。還有學者提出在感應電機外殼加裝導磁物質(zhì)，在其上布置線圈感應轉(zhuǎn)子槽諧波電壓。這種方法可以顯著簡化轉(zhuǎn)速估計算法，適用范圍更廣，但線圈中轉(zhuǎn)子槽諧波信號幅值較小，信噪比差，難以保證在極端工況下轉(zhuǎn)速估計的準確性。

本文提出一種在電機內(nèi)部布置感應線圈感應轉(zhuǎn)子槽諧波的方法，提高傳統(tǒng)方法在不同電機結(jié)構(gòu)條件下的通用性，同時增強轉(zhuǎn)子槽諧波信號信噪比。通過研究感應線圈的布置方式對轉(zhuǎn)子槽諧波的信噪比的影響，提出對感應線圈進行優(yōu)化設計的方法，進一步增強了轉(zhuǎn)子槽諧波信噪比，降低了信號處理的難度。通過仿真和實驗，驗證了理論分析和方法的有效性，實驗中轉(zhuǎn)速估計結(jié)果證明此方法具有良好的精度。

圖6 實驗電機感應線圈實物圖

結(jié)論

針對基于定子電流的轉(zhuǎn)子槽諧波法存在的通用性、信號信噪比和實時性方面的問題，本文提出在電機內(nèi)部布置線圈感應氣隙磁場中的轉(zhuǎn)子槽諧波，不同于定子繞組，感應線圈感應電動勢中的轉(zhuǎn)子槽諧波不會受到電機結(jié)構(gòu)的限制，因此適用范圍更廣。

分析了感應線圈跨距與線圈組合信號合成對轉(zhuǎn)子槽諧波幅值以及信噪比的影響，通過對這兩個要素進行優(yōu)化設計，可以有效增強轉(zhuǎn)子槽諧波信噪比，提高了方法的可靠性和準確性。

仿真和實驗驗證了理論和方法的正確性，利用優(yōu)化設計后的感應線圈在電機中高速運行時具有較高的轉(zhuǎn)速估計精度，而在電機低轉(zhuǎn)速運行工況仍需繼續(xù)研究可行的處理方法。

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用于感應電機轉(zhuǎn)速估計的感應線圈設計方法