无速度传感器异步电机转子磁场定向自适应鲁棒控制

2010年10 月 第25卷第10期

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.25 No. 10

Oct. 2010

无速度传感器异步电机转子磁场

定向自适应鲁棒控制

王高林 杨荣峰 于 泳 陈 伟 徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

摘要 针对无速度传感器异步电机矢量控制系统，为了提高系统对电机参数变化和转矩扰动的鲁棒性，提出一种基于自适应观测器的鲁棒控制策略。研究了一种改进全阶自适应状态观测器设计方法，将静止坐标系下状态观测误差系统变换到同步旋转坐标系以克服系统的复杂非线性，通过分析单输入单输出误差系统获得了观测器稳定条件，并采用一种增强型定子电阻自适应率以降低观测器对电机参数变化的敏感性。为了提高异步电机磁场定向控制系统的抗负载转矩扰动能力，在分析扰动转矩对控制系统动态模型影响基础上，提出了一种自适应扰动转矩前馈补偿控制策略。通过11kW无速度传感器异步电机矢量控制系统进行实验，实验结果验证了所提出方法的有效性。

关键词：异步电机 无速度传感器 自适应控制 全阶观测器 扰动转矩观测器 中图分类号：TM346

Adaptive Robust Control for Speed Sensorless Field-Oriented

Controlled Induction Motor Drives

Wang Gaolin Yang Rongfeng Yu Yong Chen Wei Xu Dianguo （Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Abstract An adaptive robust control strategy is proposed to increase robustness of parameters variation and load disturbance for sensorless field-oriented controlled induction motor drives. Improved method of the adaptive full-order observer is presented. Observer error system is transformed to synchronous reference frame for avoiding nonlinear and complicated dynamics of the observer. Stability conditions can be achieved through the single-input and single-output error system. To improve robustness of parameter variation for the observer, stator resistance is estimated through an improved adaptive mechanism synchronously. Based on the analysis of dynamic model of field-oriented controlled induction motor considering the load disturbance, an adaptive disturbance torque feedforward controller is adopted to achieve satisfactory dynamic response. The feasibility of the proposed control strategy is verified by experimental results of speed sensorless field-oriented vector controlled 11kW induction motor drive.

Keywords：Induction motor, speed sensorless, adaptive control, full-order observer, disturbance observer

了更高的要求。不仅应具有较高的转速控制精度，快速的动态响应能力，而且还须对电机参数变化和负载扰动具有较强的鲁棒性[1-4]。

基于全阶自适应观测器的磁链和转速观测技术已成为交流电机无速度传感器控制领域一个研究热点[5-10]。这种闭环磁链观测器可以获得较高的观测精度和较强的抗电机参数变化的鲁棒性。文献[5-6]

1 引言

随着电力传动各种应用场合要求日益提高，对无速度传感器异步电机矢量控制系统的性能也提出

国家自然科学基金资助项目（50807041）。 收稿日期 2009-07-03 改稿日期 2009-11-23

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电 工 技 术 学 报 2010年10月

针对异步电机磁场定向控制系统,分别通过Lyapunov稳定性理论和Popov超稳定性理论推导了转速和定子电阻的自适应率,构造了自适应磁链观测器。由于受电机状态方程固有极点的限制，低速运行场合中转速观测性能远不如高速场合，采用传统自适应律进行设计可能会出现不稳定现象[7-8]。文献[8]对满足低速场合观测器稳定性的反馈增益矩阵设计进行了较深入地研究，但没有对定子电阻发生变化的情况进行分析。

高性能异步电机无速度传感器矢量控制系统还应具有较强的抗负载扰动能力[11-14]。文献[11]提出了通过负载转矩观测器对传统转速PI控制器进行前馈控制方法，但惯性环节的引入导致了补偿存在一定的滞后。文献[12]设计了一种同步旋转坐标系下无速度传感器异步电机转速和磁通滑模控制器，通过Lyapunov稳定性理论证明了对参数摄动和不确定因素有较强的鲁棒性，但重载情况下的抖动问题有待于进一步研究。文献[13]针对异步电机定子电阻变化和负载转矩扰动的情况，提出了基于神经网络的自适应鲁棒控制策略，然而目前神经网络控制技术应用仍比较困难。

本文提出一种基于自适应观测器的鲁棒控制策略，以提高无速度传感器矢量控制系统对电机参数变化和转矩扰动的鲁棒性。对转速和定子电阻自适应观测器进行深入研究，提出改进设计方法。并研究一种自适应扰动转矩前馈补偿的转速控制策略，以提高系统对转矩扰动的鲁棒性。最后在11kW无速度传感器异步电机矢量控制系统进行实验验证。

2 全阶自适应观测器模型分析

两相静止坐标系下，将定子电流和转子磁链作为状态量，则异步电机模型的状态方程可表示为

d is A12 dt ψr = A11

AA is 21ψr + B1

0 us

（1） 22 i i

s=(C10) s ψ （2）

r

式中 ωr——转速；

τr——转子时间常数； Lm——互感；

Ls，Lr——定、转子电感；

σ——漏感系数；

is，us——定子电流、电压，is=(

iT

sα

isβ

)

，us=

(usα

usβ

)

T

；

ψr——转子磁链，ψr=(ψrαψrβ

)

T

。

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