在实验室的三电平变频调速平台上对前面章节所述的原理内容进行了实验验证，控制系统采用自行设计的以TMS320F2812为核心的数字化电机控制开发板。实验采用异步机-直流机机组，变换器的开关频率为5kHz，直流母线电压为560V，电机参数为2.2kW，2对极，380V/50Hz，定子电阻为2.8452Ω，转子电阻为2.4129Ω，互感为0.2687H，定子漏感和转子漏感均为12.8mH，转动惯量为0.05kg·m²。

1.基于龙贝格观测器的无速度传感器矢量控制

在本小节，速度闭环和磁链闭环分别采用龙贝格观测器估计出来的转速和磁链。采用光电码盘得到的电机实际转速仅用于比较，并不参与实际控制。实际转速和观测器得到的估计转速、磁链和转矩均通过DSP板子上外扩的4通道D/A输出，电机线电压和电流采用LEM探头测得。

图7-2 0→1500r/min（采用新型增益矩阵，有预励磁）

图7-2所示是采用新型增益矩阵后的无速度传感器直接矢量控制的起动波形，电机从静止开始空载起动到1500r/min。转速指令值为阶跃给定，在磁通达到额定值的90%后再施加阶跃转速指令，从而保证足够的起动转矩而又不导致过大的起动电流。这种直流预励磁技术在开环的变频调速系统中已经得到应用^[35，36]，本节将其拓展应用到闭环的高性能电机控制中。从图7-2a中可以看出，估计转速和实际转速非常一致，磁通建立起来后电机开始起动并且以最大转矩进行加速，图7-2b所示是相应的电机线电压和线电流波形。引入转矩观测的观测器由于可以对负载转矩进行估计，所以预期会有更好的动态响应。

作为对比，图7-3所示为相同条件下电机从静止起动到1500r/min的波形，同样采用预励磁技术，在磁通建立起来后再起动电机。对比图7-3a和图7-2a中的电磁转矩响应，可以发现图7-3a中的电磁转矩动态响应更快，表现在迅速减为零，而图7-2a中的电磁转矩则要经过较长时间才减为零。

图7-3 0→1500r/min（采用转矩观测和新型增益矩阵，有预励磁）

图7-4考察了系统对参数变化的鲁棒性。图7-4a所示是电机参数准确的实验波形，图7-4b所示是电机定转子电阻均变大20%后的实验波形，对比可以发现参数变化对系统的性能影响很小，证明基于新型增益矩阵和转矩观测的龙贝格观测器对电机参数变化具有较强的鲁棒性。

图7-5考察了系统的抗负载干扰能力，在1500r/min稳态时突加80%额定负载，转矩迅速增加，具有良好的动态响应。

图7-6和图7-7分别为电机空载运行在15r/min和3r/min时的波形，尽管转速略有波动，定子电流依然比较接近正弦，可以长时间稳定运行。

图7-4 1500r/min→500r/min（采用转矩观测和新型增益矩阵）

图7-5 1500r/min突加80%额定负载

图7-6 电机15r/min空载稳态波形

图7-7 电机3r/min空载稳态波形

另外，本节还考察了低速带载性能。图7-8所示是电机稳定运行在15r/min，并且带额定负载时的波形。从图中可以看出，即使在低速下，估计转速和实际转速也十分接近，证明龙贝格观测器在低速下也有较好的性能。

图7-8 电机15r/min满载稳态波形

图7-9 1500r/min正反转

2.基于滑模观测器的无速度传感器矢量控制

实验参数和条件与上一部分介绍的一致，仅观测器部分换成了滑模观测器。首先实验比较了6.2.2节介绍的两种增益矩阵，如图7-9所示，未引入转矩观测。可以看出二者在效果上相当，采用增益矩阵Ⅰ的波形更加平滑一些，采用增益矩阵Ⅱ的电流波形毛刺略大，但转矩和磁链在转速过零点时更加平稳。由于后者更简单和容易实现，后面的实验结果皆采用固定常数增益矩阵Ⅱ。

图7-9 1500r/min正反转（续）

图7-10和图7-11所示是有无转矩观测时实验结果对比。从转矩波形可以看出，引入转矩观测后观测器的动态性能有所提高。图7-12所示是电机在1500r/min稳态时突加90%负载的波形，转矩和电流迅速增大，动态响应良好。

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图7-10 0→1500r/min（增益矩阵Ⅱ，无转矩观测）

图7-11 0→1500r/min（增益矩阵Ⅱ，有转矩观测）

图7-12 1500r/min稳态突加90%负载

另外，还考察了低速时无速度传感器运行的情况，系统在空载情况下可以稳定运行在3r/min，如图7-13所示；即使带额定负载，也可以稳定运行在15r/min，如图7-14所示。

图7-13 电机3r/min空载稳态波形

图7-14 电机15r/min满载稳态波形

图7-14 电机15r/min满载稳态波形（续）

3.基于扩展卡尔曼滤波观测器的无速度传感器矢量控制

实验参数和条件与前面第1部分介绍的一致，仅观测器部分换成了EKF观测器。由于6阶EKF计算量过大，实时性较难满足，参数整定困难，而且其性能与5阶EKF相比，对转速和磁链观测的性能并没有本质提高，本节的实验结果都是采用5阶EKF。

首先考察了EKF从零速到1500r/min的起动性能。EKF观测出来的转速不能直接反馈用于速度闭环，也需要进行低通滤波去除毛刺后再反馈。滤波效果越强，相应的稳态性能越好，但同时延迟也相对较大，从而带来超调，反之延迟较小，但纹波增加，采用不同截止频率的实验结果如图7-15和图7-16所示。

图7-15 0→1500r/min（滤波截止频率10Hz）

图7-16 0→1500r/min（滤波截止频率50Hz）

图7-17考察了电机高速正反转的响应，电机以限定的最大转矩减速，1.1s左右从+1500r/min到-1500r/min，整个过程估计转速和实际转速非常接近，仅在过零点误差稍大，磁链也仅在过零点处稍有波动，然后很快进入稳态，系统呈现出良好的动态和稳态性能。图7-18还考察了系统在突加95%负载的波形，可以看出基于EKF的无速度传感器矢量控制具有良好的动态响应。

图7-17 1500r/min正反转

图7-17 1500r/min正反转（续）

图7-18 1500r/min稳态突加95%负载

图7-19a所示是电机在15r/min空载稳态运行时的实验波形。可以发现，低速时转速估计误差略大，但系统可以稳定运行，电流波形也比较接近正弦。进一步降低速度时，EKF的性能降低，图7-19表明，在低速时基于EKF的无速度传感器系统带载能力较差，带上一定负载时甚至无法稳定运行，证明EKF的低速性能相对较差。

图7-19 电机低速空载稳态波形