感应电机变频调速系统如今作为工业自动化设备、海洋工程设备、生活家电、轨道牵引等设备驱动核心,是我国工业用电量最大的终端装置。然而,感应电机在工业自动化低速领域设备中仍主要采用基于有速度传感器的矢量控制调速方案,这不但提高了驱动系统在恶劣环境下的失效风险以及设备安装维护的经济成本,而且涉及多闭环参数整定复杂以及动态响应受限问题。为加快实体产业高质量发展和深化工业供给侧结构性升级,研究兼顾成本与性能的无速度传感器新型高性能控制感应电机驱动系统,是当下工业应用发展的迫切需求。本文围绕感应电机极低速运行关键问题,从新型控制方式无差拍直接转矩控制非线性优化,和无速度传感器控制的低速发电稳定性及定子零频转速观测性提升两大方面并行切入展开研究。具体内容如下:矢量控制不仅涉及多闭环PI参数整定问题,而且动态响应受限于电流内环带宽,尤其本质上依赖于磁链位置信息来实现电流精准解耦,极低速工况下由参数变化等干扰造成的磁链位置误差将导致转矩动态响应降低甚至系统解耦失败。为此,本文在感应电机调速系统采用新型控制策略无差拍直接转矩控制。为从根本上消除旋转坐标变换环节,基于两相静止轴系下电机离散状态方程对无差拍直接转矩控制律进行统一设计,可实现转矩及磁链单周期动态响应。针对极低速工况时定子电阻压降不可忽略的问题,重新考虑定子电阻压降项对磁链无差拍控制进行设计。另外,由于数字系统固有单周期时间滞后,本文设计了电流预测观测器以实现对无差拍控制器输入量的下一拍预测。实验结果表明,所提方法在低速时可有效提升无速度传感器感应电机系统转矩控制动态与稳态性能,同时对非线性因素的优化可降低极低速运行的转矩脉动及误差。为直接提供计算给定电压所必要的转速及定转子磁链信息,本文构建了与无差拍直接转矩控制高度匹配的转速自适应全阶观测器。但采用传统反馈矩阵和转速自适应律设计方法的转速自适应全阶观测器存在低速发电不稳定区。为此,本文在基于波波夫超稳定性理论推导出的反馈矩阵稳定限制条件下,进一步配置转速估计系统主导极点距离虚轴最远来确定反馈矩阵具体取值,协同提升观测器稳定性及动态性。同时,考虑传统转速自适应律中通常忽略转子磁链误差项的缺陷,本文利用无差拍系统中近似定子磁链误差推导转子磁链误差,以实现对转速自适应律的修正。对比实验结果表明,所提方法可同步提升无速度传感器控制系统极低速稳定性及动态性,并具备良好的参数鲁棒性。采用稳定反馈矩阵设计方法固然可有效消除无速度传感器系统低速发电不稳定区,但在低速定子电流零频时基于模型法的转速自适应全阶观测器无法有效观测仍将造成电机失稳,为此,本文提出一种基于虚拟电压注入与反馈矩阵协同设计的转速估计方法。在阐明定子零频时因估计转速误差与转矩电流失去联系而导致估计转速恒为零的机理基础上,针对性在观测器侧加入额外虚拟电压以重建转子侧信息与定子侧转矩误差电流的联系,实现定子零频有效值输出。但该方法仅能实现定子零频区基本稳定运行,本文进一步引入稳定反馈矩阵协同设计相应虚拟电压系数。对比实验结果表明,所提方法可同时消除定子零频转速不可观测以及低速发电不稳定区,实现了无速度传感器系统在极低速全范围内的稳定运行。