MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究

MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究朱建林1，毛朝斌1，易灵芝1，谭平安1，张小平21（湘潭大学信息工程学院,湘潭411105）2（湖南科技大学信息与电气工程学院湘潭411201）（E-mail:[e-mail]）摘要：对于无速度传感器的研究主要针对电动机的矢量控制系统，而应用于直接转矩控制（DTC）系统的很少。本文研究基于矩阵变换器（MC）直接转矩控制系统（MC-DTC）应用无速度传感器技术以及将三者融合的技术。讨论了无速度传感器的直接计算方法和模型自适应方法，重点讨论了速度自适应辨识方法与满足系统融合要求的控制策略。仿真实验表明，速度自适应辨识速度高于直接计算精度，动态响应好。同时能发挥MC和DTC的优势，成为一种高性能的交流调速系统。关键词：交流电动机；矩阵式变换器；无速度传感器；直接转矩控制中图分类号：TM343文献标识码：AStudyofspeedofdistinguishandcontrolstrategybyMC-DTCsystemZHUJian-lin1,MAOZhao-bin1,YILing-zhi1,TANPing-an1,ZHANGXiao-ping21(CollegeofInformationEngineeringofXiangTanUniversity，XianTan，411105)2(CollegeofInformationandElectricalEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201)（E-mail:[e-mail])Abstract:Thespeedsensorlessmostlyapplytovectorcontrolsystemofelectricmachine，whereasseldomapplytodirecttorquecontrol（DTC）system.Inthispaperthespeedsensorlesstechnologybased–onmatrixconverter（MC）directtorquecontrolsystem（MC-DTC）andtheirfusiontechnologyisstudied.Thedirectcalculationmeansandmodeladaptationmeansofthespeedsensorlessarediscussed，andthespeedadaptationdistinguishmeansandthecontrolstrategywhichsatisfiedwithsystemoffusionisemphasisdiscussed.Simulationresultsshowthataccuracyofparameteridentificationishigherthanmeasurementaccuracyofdirectcalculation，dynamicresponseisalsofast.It’sahigh-poweredACspeedgoverningsystem,thepredominanceofMCandDTCareexertedatthesametime.Keywords：ACmotor;matrixconverter;speedsensorless;directtorquecontrol1引言在电力电子、微电子及计算机技术迅速发展的今天，各种电力电子变换器已在国民经济中得到广泛的应用，但与此同时也给电力系统带来了谐波污染和低功率因数等负面影响。矩阵变换器作为新的“绿色产品”受到大家的重视。目前对矩阵变换器本身的研究已取得了长足的进展，但基于矩阵变换器的直接转矩控制的交流传动系统的研究却很少见诸报导。文献[1]提出了一种适用于矩阵变换器供电的感应电机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和感应电机的定子磁场定向直接转矩控制。基于无速度传感器的矩阵变换器直接转矩控制系统方面的研究在国内外却还没见到相关的报导。直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)在1985年由德国鲁尔大学的Depenbrock教授提出[2]，是继矢量控制之后发展起来的新型交流调速技术，具有转矩响应快和鲁棒性好的特点。在交流调速中，使用矩阵变换器驱动交流电动机，采用直接转矩的控制方法，一方面能够实现较好的传动性能，另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求，降低谐波污染[3]。目前，电机速度辨识的方法很多，常见的有直接计算法、自适应法、模型参考自适应法、神经网络法以及卡尔曼滤波法等。这些方法的研究大多是针对矢量控制系统开展的。由于直接转矩控制系统有自己的特点，因此有些速度辨识方法并不适用或其效果远不如矢量控制系统中应用。本文对直接计算法和转速模型参考自适应辨识法进行了仿真研究。并重点讨论了速度模湖南教育厅科研项目资助(06C833)。Hunaneducationdepartmentprojectofpecuniaryaid(06c833).型参考自适应辨识方法与满足系统融合要求的控制策略。1975年A．Abbondanti等人推导出基于稳态方程的转差频率估算法，在无速度传感器领域作出了首次尝试[4]。文献[5]率先采用模型参考自适应(MRAS)的方法实现了对电机转速的自适应辨识。文献[6]和文献[7]在电机全阶观测器的基础上分别采用李雅普诺夫理论和波波夫理论推导出了电机转速以及电机定转子电阻的自适应收敛率，从而构造了速度自适应的转子磁链观测器。UweBaader等学者采用定子磁场的角速度减去转子磁场相对于转子的角速度以及定转子磁场的相对角速度，即得到电机的转速[8]。无速度传感器技术可以提高转速的检测精度，降低系统成本，提高系统的可靠性。根据模型参考自适应（MRAS）原理，本文以电机反电势的模型，构建直接将闭环观测得到的定子磁链应用于矩阵式变换器DTC系统[9]。由于采用自适应原理对电机反电势观测，使得电机反电势及转速的计算更为准确。根据上述思路，本文在MATLAB/SIMULINK环境下构建了仿真模型，对矩阵变换器交流电机无速度传感器直接转矩系统进行仿真。2矩阵变换器控制策略[1]矩阵变换器是由连接在两个独立的三相系统之间的双向开关矩阵组成[10]。三相－三相矩阵变换器在理论上可以等效为一个电压源整流器（VSR）和一个电压源逆变器（VSI）的虚拟连接。在矩阵变换器的等效的交-直-交模型中，输出电压空间矢量调制和输入电流空间矢量调制是分开进行的，而在矩阵变换器的实际模型中，同一个开关既要承担整流的任务，又要担负起逆变的任务，整流和逆变是在相互包含中进行的。同时满足矩阵变换器的调制策略和交流电机直接转矩控制的开关组合共有21种，如表1所示。表1矩阵变换器开关组合Table1SwitchingConfigurationsUsedInTheProposedControlScheme开关组合ABCoVoαiiiβ+1abbabV3/20Ai3/2-6/π-1baa-Vab3/20-Ai3/2-6/π+2bccVbc3/20Ai3/22/π-2cbb-Vbc3/20-Ai3/22/π+3caacaV3/20Ai3/26/7π-3acc-caV3/20-Ai3/26/7π+4babVab3/23/2πBi3/2-6/π-4aba-abV3/23/2π-Bi3/2-6/π+5cbcbcV3/23/2πBi3/22/π-5bcb-bcV3/23/2π-Bi3/22/π+6acacaV3/23/2πBi3/26/7π-6cac-caV3/23/2π-Bi3/26/7π+7bbaVab3/23/4πCi3/2-6/π-7aab-Vab3/23/4π-Ci3/2-6/π+8ccbbcV3/23/4πCi3/22/π-8bbc-bcV3/23/4π-Ci3/22/π+8aaccaV3/23/4πCi3/26/7π-9cca-caV3/23/4π-Ci3/26/7π0aaa0--0--0bbb0--0--0ccc0--0--由表1和PARK矢量变换可以得到如图1(a)输入电流空间矢量和图1(b)输出相电压空间矢量。在图1(a)输入电流空间矢量图中，根据空间矢量调制原理，输入相电流参考空间矢量ii的相位由检测到的输入相电压空间矢量iV和设定的输入相移角i决定。任意时刻输入相电流参考空间矢量ii可由组成所在扇区的两个相邻的非零开关状态矢量和一个零矢量合成得到，而开关状态矢量在每个采样周期内的持续时间可根据空间矢量调制原理和正弦定理计算得到。同理，在图1(b)输出电压空间矢量图中，考虑VSI的输出相电压空间矢量调制。任意时刻的输出相电压参考空间矢量ov由所在扇区的两个相邻的非零电压开关状态矢量和一个零矢量组合而成，而开关状态矢量的持续时间则根据空间矢量调制原理计算得到。图1输入电流、输出电压空间矢量Fig1InputcurrentandOutputvoltagespacevectors将以上两个空间矢量调制过程结合起来，就可以使矩阵式变换器实现如下功能：在感性负载条件下，输出电流波形为正弦；在经过输入LC滤波器滤波后，输入电流波形为正弦；通过改变输入相移角i，可以方便地调节输入功率因数。3无速度传感器矩阵变换器与DTC组合控制策略3.1速度辨识3.1.1直接计算法这种方法的出发点是，根据电机的基本电路及电磁关系式，推导出关于转差或转速的估计表达式。在静止坐标系中，转子磁链可以表示为：iiLRLLRLRssrrmrrrrrrrrrr^^（1）转子磁链与定子坐标系α轴的夹角θ可以表示为：)(tan1rr（2）由此得转子磁链的旋转角速度为：)()(22^^rrrrerrdtd（3）另外可以将式（3）转换为前向差分的形式，即“)()1()()()1(22rrrrrreTkkkk（4）式中，T为控制周期。将式（1）代入式（3）得：)(22rrrsrsrrmeriiLRL（5）由于电机的电磁转矩为：))((rsrsrmpeiiLLnT（6）因此电机速度为：serrperernTR)()(22（7）式中，np为电机极对数。由式（4）（7）可以求得电机转速。可见此方法理论上没有延时，具有较好的动静态性能，但缺乏误差校正环节，任何参数的变化或检测误差都将直接导致推算误差。3.1.2转速的模型参考自适应辨识[11]基本原理是将不含转速的方程作为参考模型，含有转速的方程作为可调模型，并且两个模型具有相同物理意义的输出量。利用两个模型输出量构成的误差，采用比例积分自适应率实时调节可调模型参数(转速)，以实现估算转速的目的。基于上述思想，由交流电机模型可知转子磁场下的观测模型。转子磁链的电流模型[12][13]为：iLsrmrrrrr1.（8）iLsrmrrrrr1.（9）式中τr=Lr/Rr为转子时间常数。对式（8）、（9）两边微分，电机反电势模型可写为：ipLpepsrmrrrrrs...1（10）ipLpepsrmrrrrrs...1（11）转子磁链的电压模型：])([iLdtiRuLLsssssmrr（12）])([iLdtiRuLLsssssmrr（13）式中σ=1-L2m/(LsLr)。由式（12）、（13）可知，电机反电势模型可写为：)(ipLiRuLLpesssssrmrs（14）)(ipLiRuLLpesssssrmrs