《MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究.docx（9页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、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: zjl）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
2、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：AStudy of speed of distinguish and control strategy by MC-DTC systemZHU Jian-lin1, MAO Zhao-bin1, YI Ling-zhi1, TAN Ping-an1,ZHANG Xiao-ping21 (College of Information Engineering of Xiang Tan University，Xian Tan，411105)2 ( Col
3、lege of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201)（E-mail: zjl) Abstract: The speed sensorless mostly apply to vector control system of electric machine，whereas seldom apply to direct torque control（DTC）system. In this paper the speed sensorl
4、ess technology basedon matrix converter（MC）direct torque control system（MC-DTC）and their fusion technology is studied. The direct calculation means and model adaptation means of the speed sensorless are discussed，and the speed adaptation distinguish means and the control strategy which satisfied wit
5、h system of fusion is emphasis discussed. Simulation results show that accuracy of parameter identification is higher than measurement accuracy of direct calculation，dynamic response is also fast. Its a high-powered AC speed governing system, the predominance of MC and DTC are exerted at the same ti
6、me.Key words：AC motor ; matrix converter ; speed sensorless; direct torque control1 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
7、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(Direct Torque Control，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
8、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)。Hunan education department project of pecuniary aid (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AAbbondanti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
9、。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。Uwe Baader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/SIMULI
10、NK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Table 1
11、 Switching Configurations Used In The Proposed Control Scheme开关组合A B C +1a b b -1b a a- -+2b c c -2c b b- -+3c a a -3a c c- -+4b a b -4a b a-+5c b c -5b c b-+6a c a -6c a c-+7b b a -7a a b-+8c c b -8b b c-+8a a c -9c c a-0a a a - -0b b b - -0c c c - -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
12、(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的相位由检测到的输入相电压空间矢量和设定的输入相移角决定。任意时刻输入相电流参考空间矢量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Fig1 Input curre
13、nt and Output voltage space vectors 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，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： （1）转子磁链与定子坐标系轴的夹角可以表示为： （2）由此得转子磁链的旋转角速度为： （3）另外可以将式（3）转
14、换为前向差分的形式，即“ （4）式中，T为控制周期。将式（1）代入式（3）得： （5）由于电机的电磁转矩为： （6）因此电机速度为： （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
15、场下的观测模型。转子磁链的电流模型1213为： （8） （9）式中r=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： （10） （11）转子磁链的电压模型： （12） （13）式中=1-L2m/(LsLr)。由式（12）、（13）可知，电机反电势模型可写为： （14） （15）从式（14）、（15）可以看出，反电势与转速信息无关，而式（10）、（4）中观测到的反电势受电机转速的影响。从而可以认为（14）、（15）观测到的反电势是准确的。若能使式（10）、（11）反电势跟踪式（14）、（15）所观测到的反电势，也就是使估算转速跟踪电机运转的实际转速。 在一个采样周
16、期内，转速r的变化可以忽略不计，即认为转速不变。以式（14）、（15）为辨识系统的参数模型，用速度辨识值代替式（10）、（11）中的r，设计速度辨识系统的可调模型为； （16） （17） 、为反电势的辨识值。用式（10）减去式（16），式（11）减去式（17）可得到辨识系统的误差方程为（误差变量，）： （18） （19）根据该偏差利用波波夫超稳定性理论得到自适应律，从而准确地对转速进行辨识。 通常，电机模型是线性时变系统，转速r是变量。然而当转速r的变化速度远远低于电量的变化速度时，可以认为是常数。此外，电机的定子电阻Rs和转子电阻Rr随温度缓慢变化，也可以看作常数。据此，依据波波夫超稳定理论
17、推导出转速r的自适应收敛律，并使系统保持稳定状态。将误差方程记为： （20）式中， 转速的辨识为如下： （21） 因此，采用（21）作为r的自适应律，可以使系统满足稳定条件。为了满足动态性能的要求，积分形式的转速自适应（21）可以改用公式（22）所示的比例微分形式的自适应率。 （22） 由于定子电阻的存在，使辨识性能在低速下没有得到较大的改进。本文采用从参考模型中去掉定子电阻，采用无功功率模型，令： （23） （24）无功功率可表示为 （25）式中“”表示矢量积。将式（14）（15）写成复数形式为 （26）由于，可得： （27）以式（10）、（11）求得的es与is叉积得到式（28）作为可调模
18、型的输出 （28）同样可以推得角速度表达式如式（29）： （29） 无功功率模型的最大优点是消除了定子电阻的影响，为拓宽调速范围提供了新途径。为此，可以构成图2所示的模型参考自适应辨识方案。图2 模型参考自适应速度辨识系统框图Fig2 Model reference adaptation speed distinguish system diagram3.2组合控制策略矩阵变换器不具有作为直流储能环节的大电感或大电容，这一特点使得输入侧与输出侧之间可以相互直接影响。当矩阵变换器输入侧电压出现不平衡或畸变时，输出侧电压波形会发生相应的变化；而当输出侧负载发生变化引起输出电流波形变化时，矩阵变换器
19、的输入侧电能质量也很容易受到严重的影响。在矩阵变换器驱动异步电动机调速系统中，变换器的输出侧电压电流关系到异步电动机的传动性能，而输入侧电流关系到电网电能质量，因此，必须将矩阵变换器的调制和异步电动机的控制结合起来一并实现。本文提出的组合控制策略可由一个结构如图3所示的组合控制器实现，它能够同时进行矩阵变换器的空间矢量调制和基于异步电动机的定子磁场定向直接转矩控制。图3 采用组合控制器的矩阵式变换器驱动交流电动机调速系统框图Fig.3 The matrix converter drove induction motor drive system diagram of the introduce
20、 combination controller 该交流调速系统采用双闭环控制方式，内环由转矩和磁链滞环比较器构成。当电机的某一参数发生变化，经过转矩和磁链比较器控制作用，给出矩阵变换器的开关信号，将电机转矩和磁链控制在差范围内。外环是转速控制环，由PI调节器构成，控制电机的转速跟随转速指令。在一个PWM周期为TP时间内，直接转矩控制所需要的某一电压矢量，只能够由矩阵变换器的两种开关组合进行矢量合成，这样可以减小转矩脉动和使输入电压跟随电网电源。例如，空间电压矢量V1是直接转矩控制系统需要的电压矢量，若输入电压空间矢量也位于第扇区，则只有开关组合+1，-3满足条件，它们在一个周期内的导通时间占空
21、比分别为: （30） （31）4 仿真结果分析为了验证矩阵变换器无速度传感器DTC系统的性能，本文使用MATLAB/SIMULINK进行了数字仿真。电机参数为：鼠笼式异步电动机P=30Kw，Rs=0.435，Rr=0.816，Ls=0.02H，Lr=0.02H，Lm=0.69H，电机极对数P=2。负载转矩为Tg=25N·M，磁链参考值为=0.56wb，PI调节器输出为50N.m，系统的PWM周期Tp=40s。电机启动时以PI调节器输出极限转矩启动。仿真波形中输入电流是PWM波形。图4 指令转速Fig4 Instruction rotate speed图5 辨识转速Fig5 Ident
22、ification of rotate speed 图6 计算转速Fig6 Calculation of rotate speed图4为指令转速。图5、图6分别为电机的自适应辨识转速和计算转速仿真波形（电机速指令：600r/min800r/min300r/min）。可以看出采用速度自适应辨识方法，动态响应快，稳定精度较高；指令转速突变时辨识转速反应迅速，超调量小；在较低转速（300r/min）时仍能保持较高的性能。图7为矩阵变换器输入电压和输入电流波形。交流电机运转时输入电压与输入电流同相位，且启动迅速，此时负载转矩为正，电网向电动机提供能量，矩阵变换器的输入功率因数为1；当负载转矩在图示第0
23、.06秒时变为负，电机工作在发电状态，矩阵变换器的输入功率因数为-1。在负载变化过程中，定子电流能够快速稳定，且畸变小。电机在两种工作状态下，矩阵变换器输入电流可双向流动。图8为系统稳态（电机转速1000r/min）时电磁转矩波形。图9为动态变化时定子磁链波形。虚线-输入电压(V) 实线-滤波后输入电流（A）图7 输入电压和滤波后的输入电流Fig7 Input line -to-neutral voltage and filtered input line current 图8 电磁转矩,1000r/minFig.8. Electromagnetic torque，1000 r/min.图9
24、定子磁链Fig9 Stator flux图10 矩阵变换器输入电流Fig.10 Input current of matrix converter图11 电磁转矩Fig.11. Electromagnetic torque图12 定子电流Fig.12. Stator current图10 为矩阵变换器输入电流,图a为转速按图4变化定子波形，当转速变化时输入电流变化迅速，使系统能快速回复到稳定状态；图b为负载转矩按图11a变化时输入电流波形，由图可知当负载转矩变化时输入电流变化快，无明显畸变。图11为动态电磁转矩，其中a为负载指令转矩；图b为负载转矩变化电磁转矩波形。图12为定子电流，其中图a为
25、系统稳态（电机转速1000r/min）时定子电流波形；图b为负载转矩按图11a变化时定子电流波形。负载转矩发生变化时定子电流能快速变化，并迅速回复到稳定状态。5 结论基于矩阵变换器（MC）和交流电动机直接转矩控制（DTC）技术，本文提出了一种MC-DTC无速度传感器的交流电机直接转矩控制系统。研究了基于电机反电势作为参考模型的MRAS转速辨识法和直接计算的转速辨识法。在阐述矩阵变换器和无速度传感器直接转矩控制方法的基础上，重点讨论了三者的融合技术。仿真实验证明，这种转速辨识的精度高于直接计算模块的测量精度，动态响应也好。系统的仿真实验还验证了电机在加减速运行时和负载转矩变化时的动态性能，以及矩
26、阵变换器的输入功率因数可调节的特性，这些优点有利于提高DTC系统的控制精度和改善电网质量。Reference1 Casadei D, Serra G, Tani A. The use of matrix converters in direct torque control of induction machinesJ. IEEE Trans on IE, 2001, 48(6): 1057-10642 李夙. 异步电机直接转矩控制M. 北京：机械工业出版社，20013 Sunter S, Clare J C. A true four quadrant matrix converter ind
27、uction motor drive with servo performance A. IEEE Proc of PESC C. Baveno, Italy: IEEE, 1996: 146-1514 Shinzo Tamai, etc. "Speed Sensor-Less Vector Control of Induction Motor with Model Reference Adaptive System," IEEE IAS. 1987:189-1955 Hisao Kubota, etc. "Speed Sensorless Field-Orien
28、ted Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation", IEEE trans. industry. Application, September/October 1994, 30(5): 1219-12246 Geng Yang and Tung-Hai Chin, "Adaptive Speed Identification Scheme for a Inverter Induction Motor Drive," IEEE traps., Industry Appli. 1993, 2
29、9(4): 820-8257 Uwe Baader,Manfred Depenbrock, "Direct Self Control(DSC为f Inverter-Fed Induction Machine: A Basis for Speed Control Without Speed Measurement," IEEE Trans. Indus. Appli.,1992, 28(3): 581-5888 Sunter S, Clare J C. A true four quadrant matrix converter induction motor drive wi
30、th servo performance A. IEEE Proc of PESC C. Baveno, Italy: IEEE, 1996: 146-151.9 Huber L, Borojevic D. Space vector modulated three-phase to three- phase matrix converter with input power factor correction J. IEEE Trans on IA, 1995, 31(6): 1234 -1246. 10 丁伟,朱建林,李志勇.空间矢量调制的矩阵式变换器的仿真模型J . 湘潭大学自然科学报,2
31、002,24(3) :100-10311 王德明. 无速度传感器的异步电动机直接转矩控制的研究D. 南京：河海大学，2005，312 李永东.主编 交流电机数字控制系统M. 北京：机械工业出版社 2002.413 崔江霞. 感应电动机直接转矩系统的模型参考自适应辨识J. 太原理工大学学报，2004.3:137-140作者介绍：朱建林 教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。(Zhu Jian-lin Professor. His research interests include Power electronics and power transmission.)毛朝斌 在读硕士研究
32、生，研究方向为电力电子与电力传动。（Mao Zhao-bin Master of XiangTan University. His research interests include Power electronics and power transmission.）易灵芝 教授，硕士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。(Li Ling-Zhi Professor. Her research interests include Power electronics and power transmission.)谭平安 讲师，研究方向为电力电子与电力传动。(Tan Ping-an Docent. His research interests include Power electronics and power transmission.)