第４４卷第９期　２０１０年９月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１０　一种新型无速度传感器直接转矩控制系统　罗跨庭　，潘玉田　，范煜珩　，张晓雨　（１．中北大学，山西太原０３００５１；２．中国兵器科学研究院，北京１００８２１）　摘要：无速度传感器技术中最常用的方法是自适应观测器，观测器的增益和速度自适应律决定了观测器的性能。传　统采用极点配置方法的自适应观测器存在区域不稳定的问题，在此针对该缺陷提出了一种新型观测器。在ＤＳＰ电机　开发平台上实现了无速度传感器直接转矩控制系统，实验结果验证了该方案的可行性。　关键词：无速度传感器；直接转矩控制；自适应观测器　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１ＯＯＸ（２Ｏ１０）０９一ｏ０６７—０２　Ａ　Ｎｅｗ　Ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒｓ　ＬＵＯ　Ｘｉｕ—ｔｉｎｇ　，ＰＡＮ　Ｙｕ－ｔｉａｎ　，ＦＡＮ　Ｙｕ—ｈｅｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕ　（１．Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｈｉｎａ，Ｂｅｏ＇ｉｎｇ　１０００８９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ—ａｄａｐｔｉｖｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ・ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｌａｗ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｔｈａｔ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｌｅ・ｐｌａｃｅ—　ｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｅｘｉｓｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｕｎｓｔａｂｌｅ　ｒｅｇｉｏｎｓ，ａ　ｎｅｗ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｅｄ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　１　引　言　在高性能异步电机控制系统中．速度的闭环控　制不可缺少。直接转矩控制技术本身无需转速信息。　但为了精确地控制转速．还是应对转速进行闭环控　制。因此需要在异步电机的转轴上安装速度传感器。　传统的电机转速检测装置多采用测速发电机或光电　数字脉冲编码器。但速度传感器的安装增加了系统　的复杂性和成本。降低了系统的可靠性，同时也降低　了异步电机的刚性和简单性。　文献［１—２］最早提出了基于自适应观测器的速　度辨识方案．观测器的增益和速度自适应律决定了　观测器的性能。观测器增益的选取通常采用的极点　配置方式只适用于常系数系统，速度自适应环影响　了观测器的性能形成不稳定区域，低速时模型面临　不稳定问题。因此，极点配置方法很难保证电机低速　时的稳定性　在此提出了一种新型观测器，在转速辨识时将　转速从电机状态分离出来，利用李亚普诺夫稳定性　理论得到转速自适应律。　２异步电机速度自适应观测器　感应电机在以电机角速度旋转的参考坐标系下．　以定子和转子磁链为变量的状态方程为：　＝（Ａ１＋∞　Ａ　）ｘ＋Ｂｕ　，ｉｓ＝Ｃｘ　（１）　式中：∞　为电机角速度；Ｍ…ｉ为定子电压、电流；　＝［　。　］　，　定稿日期：２０１０—０４—０２　作者简介：罗磅庭（１９８３一），男，山西长治人，硕士研究生，研　究方向为高效能炮口制退器技术。　为转子磁链；Ａ－＝［　：　Ａ　１２］，Ａ　一一（　＋　１－Ｏ＂）Ｊ，　为定　子电阻，　为漏感系数，　＝１一ＬｍＶ（　Ｌ　），Ｌ　为互感，￡…Ｌ为定　子、转子自感，　为转子时间常数，Ａ　Ｍ　・　１　１，Ａ　ｔ＝　，　一毒　＝［　，　＿ｏ１］；　肚【击，０　［Ｊ　０　ＩＴ；。　这里提出的以定子磁链与转子磁链为状态变量　的全阶自适应状态观测器表示为：　＝（Ａ，　Ａ　）ｘ＋Ｂｕｓ＋Ｇ（ｉ　ｓ－ｉ　）　（２）　式中：上标“＾’’的量表示估计值；　一　为修正项；Ｇ为使式（２）　稳定的增益矩阵。　速度自适应状态观测器的结构如图１所示。　

Ｇ　Ｌ一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一　全阶Ａ适应状态观测器　图１速度自适应状态观测器　采用李亚普诺夫理论来推导速度白适应方案。　将式（１）减去式（２），可得定子磁链和转子磁链的估　计误差为：　ｄ　＝（Ａｔ＋Ｇｃ＋∞　Ａ　）ｅ＋△∞　Ａ　互　（３）　式中：ｅ＝　一互；ＡＯ＇ｒ＝ｔＯ，－５　。　

６７　第４＿４卷第９期　２０１０年９月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１０　为了研究自适应速度观测器的稳定性。定义李　亚普诺夫函数为：　Ｖ（ｅ，ｔＯ　一ｔＯ　）＝ｅＴｐｅ＋（　一∞　）　（４）　为得到速度自适应律，将　对时间求导可得：　｛｝　＝ＰｒＩＩ（Ａｌ＋ＧＣ）Ｔｐ＋Ｐ（Ａｌ＋ＧＣ）＋ｔＯ　（ＡＴｐ＋ＰＡ　）】Ｐ＋　Ｕ　Ａｔｏ，［ｘＶＡＴｐｅ＋ｅＴｐＡｄｃ］一　ＡＯＪｒ　（５）　几　Ｕ　令式（５）的第２项与第３项相消，即：　ＡｔＯ￣［ｘＴＡＴｐｅ＋　ＴｐＡＪｃ］一　：０　（６）　＾埘　Ｕ　根据李亚普诺夫稳定性理论．状态观测器渐近　稳定的条件是存在一个对称的正定矩阵Ｐ使得下　面的李亚普诺夫矩阵不等式成立：　（Ａ１＋ＧＣ）Ｔｐ４Ｐ（Ａ１＋ＧＣ）＋　（ｔ）（Ａ　＋　）＜０（７）　由此得到速度自适应辨识方案：　喜　：　（ｘＴＡＴｐｅ＋　ＴｐＡ￣）　（８）　Ｕ　二　对式（８）两边同时求积分可得估计的电机转速，　从中可见它与矩阵变量｜Ｐ密切相关。为提高转子转　速估计运算的动态性能，采用了ＰＩ控制器，则转子　速度估计的自适应辨识方案可表示为：　∞ｔ＝Ｋ　（ｘＴＡ０Ｐｅ＋ｅＴｐＡｊｃ）＋　ｆ　Ｉ　＾　Ｉ．（ｘＴＡ　＋　ＴｐＡ￣ｒ）ｄｔ　（９）　根据李亚普诺夫稳定性理论。当电机速度在区　间［　，＿］变化时，若存在矩阵Ｐ和Ｇ使不等式（１Ｏ）成　立，则也一定能保证李亚普诺夫不等式（７）成立，从而　保证状态观测器是渐进稳定的。　ｆ　１（Ｐ，Ｇ）＝Ｌｘ　ｎ１－ｕ　／ＴＰ　Ｐ（Ａ＋Ｇｃ）＋－￣（ＡＴｐ＋ＰＡ　）】＜Ｏ　【　２（Ｐ，Ｇ）＝ｔａ　ｎｔｕ　／ＴＰ．｝　（Ａ＋ＧＣ）一∞　（Ａ　＋　ｌＡ　）］＜Ｏ　（１０）　这是关于矩阵变量Ｐ和Ｇ的双线性矩阵不等　

盈囱　Ｔ　Ｉ　匿　医　：竺　望兰　按照上述算法，搭建了实验平台。实验电机参数　为：酩　＝３８０　Ｖ，ｆ：５ｏ　Ｈｚ，凡　＝１４１０ｒ・ｍｉｎ～，Ｐｎ＝３　ｋＷ，ｎｐ＝２，　Ｒｓ＝ｌ１．８５　ｌ，Ｒ￣＝１２．６５　，　＝０．２９４　Ｈ，Ｌｒ＝０．８２３　８　Ｈ，￡　＝　０．８３２５　Ｈ。主电路采用ＩＰＭ电压源型逆变器模块，控　制电路采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１８型ＤＳＰ控制芯片。　实验中以光电码盘检测的转速为实测转速，所　得实测转速ｔｏ　、估计转速ｔｏ　、转速误差　的实验　波形如图３所示。　

蛙　）　Ｉ　．量　￡　二　０　８　一　３　．量　孚　晷　逞　３　ｔ／（５００　ｍｓ／格）　（ａ）电机１　０００　ｒ・ｒａｉｎ一　的转速　：　ｆ　，　ｔ／（ＩＯ０ｍｓ／格）ｔｌ（１　００ｍｓ／格）　（ｂ）给定转速突增时的转速　（ｃ）给定转速突减时的转速　图３实验波形　图３ａ为给定转速为１　０００ｒ・ｍｉｎ一时分别进行了　有速度传感器和基于自适应观测器的转速估计的无　速度传感器实验波形。图３ｂ，Ｃ分别为转速突增和突　减状态下系统的实验波形。　４结　论　提出了一种新型的基于自适应观测器的无速度　传感器直接转矩控制系统，并进行实验验证。实验结　果证明该方法能准确估计出电机转速，具有较强的　抗干扰能力，算法易实现，具有一定的实用性。　参考文献　［１】ＹＡＮＧ　Ｇ，ＣＨＩＮ　Ｔ　Ｈ．Ａｄａｐｔｉｖｅ－ｓｐｅｅｄ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ａ　Ｖｅｃｔｏｒ・－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｎｓｏｄｅｓｓ　Ｉｎｖｅｒｔ・－ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｄｒｉｖｅ叨．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，１９９３，　２９（４）：８２０－８２５．　Ｋｕｂｏｔａ　Ｈ，Ｍａｔｓｕｓｅ　Ｋ，Ｎａｋａｎｏ　Ｔ．ＤＳＰ－ｂａｓｅｄ　Ｓｐｅｅｄ　Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｆｌｕｘ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，１９９３，２９（２）：３４４—３４８．　黄志武，桂卫华，年晓红，等．基于自适应观测器的无速度　传感器感应电机控制［Ｊ】．控制理论与应用，２００７，２４（６）：　９１３—９１８．　黄志武，单勇腾，年晓红，等．基于自适应观测器的感应电　机无速度传感器ＤＴＣ系统的仿真［Ｊ】．电气传动，２００７，　３７（４）：１６－２１．　黄志武，桂卫华，单勇腾，等．一种新型的基于自适应磁链　观测器的速度辨识［Ｊ］．系统仿真学报，２００７，１９（４）：８２５－　８２９．