基于自適應觀測器的感應電動機矢量控制研究
蔣宇1，湯雙清2，楊家軍3
(1．黃山學院，安徽黃山245013；2三峽大學，湖北宜昌443002；3華中科技大學，湖北武漢430074)
摘要：對基于全階自適應觀測器的感應電動機元速度傳感器矢量控制系統進行了研究：首先利用popov超穩定理論分析出自適應觀測器不穩定工作區域與其反饋增益矩陣有直接關系；在此基礎上應用kalman濾波理論優化設計反饋增益，并分析證明所設計的增益能夠保證系統工作于穩定fx。其次基于d-q系下電機動態模型，采用速度環變論域模糊控制和電流環前饋解耦控制，增強控制系統對外界干擾的適應能力：數字仿真試驗驗證了所設計的自適應觀測器性能良好，魯棒性強。
關鍵詞：感應電動機；v元速度傳感器；變論域模糊控制；自適應觀測器
中圖分類號：tm343 文獻標識碼：a 文章編號：1004—7018(2009)11—0041—05
o引 言
由于無速度傳感器控制技術能夠提高交流傳動系統的簡便性、廉價性和可靠性[1-3]，因此對于一些領域而言是十分必要的，比如飛輪儲能電機的控制。近十年來，提出許多無速度傳感器控制策略，但不管是矢量控制還是直接轉矩控制，所關注的重點都是對轉子磁通與速度的估算問題[4]，這主要是因為控制系統性能與轉子磁通的觀測直接相關[5]。而在這些速度一磁通估算方法中，包括：模型參考自適應(mras)[6]、自適應觀測器[7]、滑模觀測器[8]、k al—man濾波[9]以及高頻信號注入法和智能控制等，白適應觀測器觀測狀態并估計轉速的方法被認為具有較好的綜合性能[10]。然而自適應觀測器存在不穩定工作區域，特別是在低速發電狀態下表現的更明顯[11-12]。早期文獻[13]和[14]分別應用lyapunov穩定性理論和popov超穩定性理論分析了觀測器的定性，但是都未加解釋地做了一些忽略，不穩定現象未得到很好解決。對于不穩定現象的出現原因目前觀點不一，有學者認為是觀測器的增益矩陣選取不合理，有的認為是速度白適應律選取不當。近來，文獻[11]指出速度自適應律必須同時包含電流偏差項和轉子磁鏈偏差項，并證明了極點配置法選取觀測器增益是不合理的；文獻[12]則用參數法證明合理選擇反饋增益能夠減小不穩定區使系統工作于穩定區；而文獻[15]在總結大量文獻基礎上分析指出全局穩定的觀測器可能不存在，但可以接近。
本文將考慮上述因素，利用popov超穩定性理論分析觀測器的穩定性，并推導出觀測器的穩定性與增益矩陣有直接關系。然后應用kalman濾波理論來優化選取觀測器增益，并結合popov超穩定性理論證明所優化設計的增益矩陣能夠減小不穩定區，并使控制系統避開不穩定區而工作在穩定區。另外，在速度閉環控制中采用變論域模糊控制器，并對電流閉環進行前饋補償，以增強控制系統的自適應能力和魯棒性。數字仿真試驗結果表明，該自適應觀測器具有良好的穩態和動態性能，對外界突加干擾適應快，魯棒性強。
1全階自適應觀測器設計
為實現精確的速度反饋控制，必須準確獲得電機的轉速信號，同時進行轉子磁鏈的準確觀測，也需要轉速反饋信號，故自適應觀測器包括一個狀態觀測器和一個基于觀測器狀態變量的速度自適應環，來對轉子磁鏈和轉速進行估算。
1．1感應電動機的數學模型
感應電動機在兩相靜止坐標系(α-β坐標系)上的空間狀態方程為：
其中，i為電流；v為電壓；λ為磁鏈；r為電阻；下標s表示定子側量；下標r表示轉子側量；下標α、β分別表示α、β坐標分量，以下均同；lr、ls分別為轉子、定子自感，m為互感；σ為總漏感系數；ε為常系數；ωr為轉子角速度。
1．2速度和磁鏈辨識
由感應電動機模型式(1)和式(2)，建立全階自適應觀測器如下：
式中：l為觀測器增益，符號“^”表示估計值；e為定子電流估計值與實際值之差，e=is-is。
估算轉子電氣角速度ωr自適應律為：
| 
