基于虚拟电压注入的感应电机零同步转速下转速观测稳定化关键技术研究

Notwithstanding the rapid progress at which new technologies have emerged, the requirement of operating a speed sensorless induction motor drive at very low speed constitutes a persisting challenge. The methodologies applied to sensorless speed control can be divided into two categories. A first category makes use of fundamental model of induction motor to establish the observer. But the rotor speed is unobservable at zero stator frequency with these methods. The latter category makes use of anisotropies of induction motor to observe rotor speed. But the anisotropies of induction motor are too weak to extract the rotor speed information. Consequently the unstable problem of speed sensorless induction motor drives at low stator frequency still exists by now. This project aims to solve the unstable problem with a virtual voltage injection method, which is different from above two categories. First, the stabilization and multiobjective optimization problem of virtual voltage injection method in three phase induction motor will be studied based on nonlinear system local weak observability concept and multiobjective optimization algorithm. Because virtual voltage injection method does not depend on the anisotropies of induction motor, it will fit all kinds of induction motors. This project will study the general law of virtual voltage injection for different power induction motor. And virtual voltage injection method in multiphase induction motor will be studied.

当感应电机同步转速为零时，若采用基于电机模型构建的观测器，则电机转子转速具有不可观测性；若采用基于电机各向异性构建的观测器，则由于感应电机各向异性弱，很难从中提取出转子转速信息，因此感应电机无速度传感器驱动系统在电机同步转速等于零和接近零时的不稳定问题一直没有得到解决。为解决该不稳定问题，本项目拟研究一种区别于以上两类方法的虚拟电压注入法(即仅在观测器中注入电压)。首先拟利用非线性系统局部弱能观性理论以及多目标优化设计理论，解决基于虚拟电压注入法的转速能观性条件、系统稳定约束条件和转速观测多目标优化等科学问题。其次由于虚拟电压注入法不依赖电机各向异性，具有适用于各种感应电机的潜力，因此本项目将研究虚拟电压注入法在各功率等级三相和多相感应电机中的一般规律，并对虚拟电压注入理论在多相感应电机多自由度条件下的最优化问题进行研究。

感应电机无速度传感器驱动系统在电机同步转速等于零和接近零时的不稳定问题一直没有得到解决。为解决该不稳定问题，本项目提出了虚拟电压注入法并展开相关研究。首先采用非线性系统中的局部弱能观性理论，对基于虚拟信号注入的转速能观性条件进行分析，证明了虚拟电压注入对解决零同步转速时系统的不可观问题和不稳定问题的有效性。研究了虚拟信号注入模态下系统的稳定约束条件（包括注入信号的幅值范围、允许的最大电机参数误差、稳定转速边界和稳定转矩边界），并基于以上研究结果设计虚拟电压发生器。 其次，分三种情况对转速观测误差产生机理进行定量分析：(1) 转速观测误差与注入的虚拟信号、负载转矩以及电机同步转速之间的耦合关系；(2) 磁链观测误差与注入的虚拟信号、负载转矩以及电机同步转速之间的耦合关系；(3)在虚拟信号注入模态下，转速估计误差与磁链估计误差之间的耦合关系。根据以上耦合关系得到误差产生机理，设计补偿电压权重，随后，本项目根据系统能观性条件和稳定约束条件将电机运行区域分为不稳定区域(同步转速等于零和接近零的区域)、切换区域和稳定区域(电机同步转速远大于零)。在不稳定区域采用虚拟信号注入法及其补偿策略，在切换区域实现虚拟信号注入法和传统观测方法的切换，在稳定运行区域采用传统观测方法，并设计了切换策略，解决了由于系统稳定性设计目标和转速观测精度设计目标冲突带来的多目标设计问题。最后，针对不同的观测器（闭环磁链观测器，基于定子电流误差的模型参考自适应观测器，基于无功能量误差的模型参考自适应观测器与全阶磁链观测器）提出一般化的虚拟电压注入方案。逐一分析了不同观测器的转速能观性、系统极点稳定性和对电机参数变化和非线性误差的鲁棒性，得出结论：虚拟电压注入法在不同的基于电机模型构建的观测器中均有效，具有普遍性。