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1、MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究朱建林1，毛毛朝斌1，易灵芝芝1，谭平安安1，张小平21 （湘潭潭大学信息息工程学院院, 湘潭潭4111105）2 （湖南南科技大学学信息与电电气工程学学院 湘潭潭411201）（E-maail: zjl）摘要：对于于无速度传传感器的研研究主要针针对电动机机的矢量控控制系统，而而应用于直直接转矩控控制（DTTC）系统统的很少。本本文研究基基于矩阵变变换器（MC）直接转矩矩控制系统统（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
2、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：交交流电动机机；矩阵式式变换器；无速度传传感器；直直接转矩控控制中图分类号号：TM3343 文献标识识码：AStudyy of speeed off disstingguishh andd conntroll strrateggy byy MC-DTC systtemZHU JJian-lin1, MAOO Zhaao-bin1, YI Lingg-zhii1, TAN Ping-an1,ZHANGG Xiaao-pingg21 (Coollegge off Infforma
3、ationn Enggineeeringg of Xianng Tann Uniiverssity，XXian Tan，44111005)2 ( CColleege oof Innformmatioon annd Ellectrricall Enggineeeringg, Huunan Univversiity oof Scciencce annd Teechnoologyy, Xiiangttan 44112001)（E-maail: zjl) Abstrract: Thee speeed ssensoorlesss moostlyy appply tto veectorr conntrol
4、l sysstem of eelecttric machhine，wwhereeas sseldoom appply to ddirecct toorquee conntroll（DTCC）sysstem. In thiss papper tthe speeed seensorrlesss tecchnollogy baseedon maatrixx connvertter（MMC）diirectt torrque conttrol systtem（MMC-DTTC）and theiir fuusionn tecchnollogy is sstudiied. The direect ccalc
5、uulatiion mmeanss andd moddel aadapttatioon meeans of tthe sspeedd sennsorlless are disccusseed，annd thhe sppeed adapptatiion ddistiinguiish mmeanss andd thee conntroll strrateggy whhich satiisfieed withh sysstem of ffusioon iss empphasiis diiscusssed. Simullatioon reesultts shhow tthat accuuracyy o
6、f paraameteer iddentiificaationn is highher tthan meassuremment accuuracyy of direect ccalcuulatiion，dynaamic respponsee is alsoo fasst. IIts a highh-powweredd AC sppeed goveerninng syystemm, the ppredoominaance of MMC annd DTTC arre exxerteed att thee samme tiime.Key wwordss：AC mootor ; maatrixx co
7、nnvertter ; speeed senssorleess; direect ttorquue coontrool1 引言言在电力电子子、微电子子及计算机机技术迅速速发展的今今天，各种种电力电子子变换器已已在国民经经济中得到到广泛的应应用，但与与此同时也也给电力系系统带来了了谐波污染染和低功率率因数等负负面影响。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
8、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。直接转矩控控制(Direect TTorquue Coontrool，DTC)在19885年由德德国鲁尔大大学的Deepenbbrockk教授提出出2，是继矢量量控制之后后发展起来来的新型交交流调速技技术，具有有转矩响应应快和鲁棒棒性好的特特点。在交交流调速中中，使用矩矩阵变换器器驱动交流流电动机，采采用直接转转矩的控制制方法，一一方面能够够实现较好好的传动性性能，另一一方面也可可以满足日日益严格的的电网电能能质量的要要求，降低低谐波污染染3。目前，电机机速度辨识识的方法很很多，常见见的有
9、直接接计算法、自自适应法、模模型参考自自适应法、神神经网络法法以及卡尔尔曼滤波法法等。这些些方法的研研究大多是是针对矢量量控制系统统开展的。由由于直接转转矩控制系系统有自己己的特点，因因此有些速速度辨识方方法并不适适用或其效效果远不如如矢量控制制系统中应用。本文文对直接计计算法和转转速模型参参考自适应应辨识法进进行了仿真真研究。并并重点讨论论了速度模模湖南教育厅厅科研项目目资助(006C8333)。Hunann eduucatiion ddeparrtmennt prrojecct off peccuniaary aaid (06c8833) .型参考自适适应辨识方方法与满足足系统融合合要求的
10、控控制策略。1975年年AAbbbonddantii等人推导导出基于稳稳态方程的的转差频率率估算法，在在无速度传传感器领域域作出了首首次尝试4。文献55率先采采用模型参参考自适应应(MRAAS )的的方法实现现了对电机机转速的自自适应辨识识。文献6和文文献7在电机全全阶观测器器的基础上上分别采用用李雅普诺诺夫理论和和波波夫理理论推导出出了电机转转速以及电电机定转子子电阻的自自适应收敛敛率，从而而构造了速速度自适应应的转子磁磁链观测器器。Uwee Baaader等等学者采用用定子磁场场的角速度度减去转子子磁场相对对于转子的的角速度以以及定转子子磁场的相相对角速度度，即得到到电机的转转速8。无速度
11、度传感器技技术可以提提高转速的的检测精度度，降低系系统成本，提提高系统的的可靠性。根据模型参参考自适应应（MRAAS）原理，本本文以电机机反电势的的模型，构构建直接将将闭环观测测得到的定定子磁链应应用于矩阵阵式变换器器DTC系统统9。由于采采用自适应应原理对电电机反电势势观测，使使得电机反反电势及转转速的计算算更为准确确。根据上上述思路，本本文在MAATLABB/SIMMULINNK环境下下构建了仿仿真模型，对对矩阵变换换器交流电电机无速度度传感器直直接转矩系系统进行仿仿真。2 矩阵阵变换器控控制策略1矩阵变换器器是由连接接在两个独独立的三相相系统之间间的双向开开关矩阵组组成100。三相三三相
12、矩阵变变换器在理理论上可以以等效为一一个电压源源整流器（VVSR）和和一个电压压源逆变器器（VSII）的虚拟拟连接。在在矩阵变换换器的等效效的交-直直-交模型型中，输出出电压空间间矢量调制制和输入电电流空间矢矢量调制是是分开进行行的，而在在矩阵变换换器的实际际模型中，同同一个开关关既要承担担整流的任任务，又要要担负起逆逆变的任务务，整流和和逆变是在在相互包含含中进行的的。同时满满足矩阵变变换器的调调制策略和和交流电机机直接转矩矩控制的开开关组合共共有21种，如如表1所示。表1 矩矩阵变换器器开关组合合Tablee 1 Switcchingg Conffigurratioons UUsed II
13、n The Propposedd Conttrol Scheeme开关组合A B CC +1a b bb -1b a aa- -+2b c cc -2c b bb- -+3c a aa -3a c cc- -+4b a bb -4a b aa-+5c b cc -5b c bb-+6a c aa -6c a cc-+7b b aa -7a a bb-+8c c bb -8b b cc-+8a a cc -9c c aa-0a a aa - -0b b bb - -0c c cc - -由表1和PPARK矢矢量变换可可以得到如如图1(aa)输入电电流空间矢矢量和图11(b)输输出相电压压空间矢量
14、量。在图1(aa)输入电电流空间矢矢量图中，根根据空间矢矢量调制原原理，输入入相电流参参考空间矢矢量的相位位由检测到到的输入相相电压空间间矢量和设设定的输入入相移角决决定。任意意时刻输入入相电流参参考空间矢矢量可由组组成所在扇扇区的两个个相邻的非非零开关状状态矢量和和一个零矢矢量合成得得到，而开开关状态矢矢量在每个个采样周期期内的持续续时间可根根据空间矢矢量调制原原理和正弦弦定理计算算得到。同理，在图图1(b)输出电压压空间矢量量图中，考考虑VSII的输出相相电压空间间矢量调制制。任意时时刻的输出出相电压参参考空间矢矢量由所在在扇区的两两个相邻的的非零电压压开关状态态矢量和一一个零矢量量组合而
15、成成，而开关关状态矢量量的持续时时间则根据据空间矢量量调制原理理计算得到到。图1 输入入电流、输输出电压空空间矢量Fig1 Inpuut cuurrennt annd Ouutputt volltagee spaace vvectoors 将以上两个个空间矢量量调制过程程结合起来来，就可以以使矩阵式式变换器实实现如下功功能：在感感性负载条条件下，输输出电流波波形为正弦弦；在经过过输入LCC滤波器滤滤波后，输输入电流波波形为正弦弦；通过改改变输入相相移角，可可以方便地地调节输入入功率因数数。3 无速速度传感器器矩阵变换换器与DTTC组合控控制策略3.1 速度辨识识3.1.11 直接计计算法 这这
16、种方法的的出发点是是，根据电电机的基本本电路及电电磁关系式式，推导出出关于转差差或转速的的估计表达达式。 在静静止坐标系系中，转子子磁链可以以表示为： （11）转子磁链与与定子坐标标系轴的夹角角可以表示示为： （2）由此得转子子磁链的旋旋转角速度度为： （3）另外可以将将式（3）转换为为前向差分分的形式，即即“ （4）式中，T为为控制周期期。将式（11）代入式式（3）得得： （5）由于电机的的电磁转矩矩为： （6）因此电机速速度为： （77）式中，npp为电机极极对数。由由式（4）（7）可以求得得电机转速速。可见此此方法理论论上没有延延时，具有有较好的动动静态性能能，但缺乏乏误差校正正环节，任
17、任何参数的的变化或检检测误差都都将直接导导致推算误误差。3.1.22转速的模模型参考自自适应辨识识11 基基本原理是是将不含转转速的方程程作为参考考模型，含含有转速的的方程作为为可调模型型，并且两两个模型具具有相同物物理意义的的输出量。利利用两个模模型输出量量构成的误误差，采用用比例积分分自适应率率实时调节节可调模型型参数(转速)，以实现现估算转速速的目的。 基基于上述思思想，由交交流电机模模型可知转转子磁场下下的观测模模型。转子子磁链的电电流模型1213为： （8） （9）式中r=Lr/Rr为转子时时间常数。 对式（8）、（9）两边微分分，电机反反电势模型型可写为： （10） （11）转子磁
18、链的的电压模型型： （12） （13）式中=11-L2m/(LsLr)。由式（122）、（13）可知，电电机反电势势模型可写写为： （14） （15）从式（144）、（15）可以看出出，反电势势与转速信信息无关，而而式（10）、（4）中观测到到的反电势势受电机转转速的影响响。从而可可以认为（14）、（15）观测到的的反电势是是准确的。若若能使式（10）、（11）反电势跟跟踪式（14）、（15）所观测到到的反电势势，也就是是使估算转转速跟踪电电机运转的的实际转速速。 在在一个采样样周期内，转转速r的变化可可以忽略不不计，即认认为转速不不变。以式式（14）、（15）为辨识系系统的参数数模型，用用速
19、度辨识识值代替式式（10）、（11）中的r，设计速速度辨识系系统的可调调模型为； （16） （17） 、为为反电势的的辨识值。用用式（10）减去式（16），式（11）减去式（17）可得到辨辨识系统的的误差方程程为（误差差变量，）： （18） （19）根据该偏差差利用波波波夫超稳定定性理论得得到自适应应律，从而而准确地对对转速进行行辨识。 通通常，电机机模型是线线性时变系系统，转速速r是变量。然然而当转速速r的变化速速度远远低低于电量的的变化速度度时，可以以认为是常常数。此外外，电机的的定子电阻阻Rs和转子电电阻Rr随温度缓缓慢变化，也也可以看作作常数。据据此，依据据波波夫超超稳定理论论推导出转
20、转速r的自适应应收敛律，并并使系统保保持稳定状状态。将误误差方程记记为： （20）式中， 转速的的辨识为如如下： （21） 因此，采采用（21）作为r的自适应应律，可以以使系统满满足稳定条条件。为了了满足动态态性能的要要求，积分分形式的转转速自适应应（21）可以改用用公式（22）所示的比比例微分形形式的自适适应率。 （22） 由由于定子电电阻的存在在，使辨识识性能在低低速下没有有得到较大大的改进。本本文采用从从参考模型型中去掉定定子电阻，采采用无功功功率模型，令令： （23） （24）无功功率可可表示为 （25）式中“”表表示矢量积积。将式（114）（115）写成成复数形式式为 （226）由于
21、，可得得： （227）以式（100）、（111）求得得的es与is叉积得到到式（288）作为可可调模型的的输出 （28）同样可以推推得角速度度表达式如如式（299）： （229） 无无功功率模模型的最大大优点是消消除了定子子电阻的影影响，为拓拓宽调速范范围提供了了新途径。为为此，可以以构成图22所示的模模型参考自自适应辨识识方案。图2 模模型参考自自适应速度度辨识系统统框图Fig2 Modeel reefereence adapptatiion sspeedd disstingguishh sysstem diaggram3.2组合合控制策略略矩阵变换器器不具有作作为直流储储能环节的的大电感或
22、或大电容，这这一特点使使得输入侧侧与输出侧侧之间可以以相互直接接影响。当当矩阵变换换器输入侧侧电压出现现不平衡或或畸变时，输输出侧电压压波形会发发生相应的的变化；而而当输出侧侧负载发生生变化引起起输出电流流波形变化化时，矩阵阵变换器的的输入侧电电能质量也也很容易受受到严重的的影响。在在矩阵变换换器驱动异异步电动机机调速系统统中，变换换器的输出出侧电压电电流关系到到异步电动动机的传动动性能，而而输入侧电电流关系到到电网电能能质量，因因此，必须须将矩阵变变换器的调调制和异步步电动机的的控制结合合起来一并并实现。本文提出的的组合控制制策略可由由一个结构构如图3所示的组组合控制器器实现，它它能够同时时
23、进行矩阵阵变换器的的空间矢量量调制和基基于异步电电动机的定定子磁场定定向直接转转矩控制。图3 采采用组合控控制器的矩矩阵式变换换器驱动交交流电动机机调速系统统框图Fig.33 The matrrix cconveerter drrove induuctioon mootor drivve sysstem diaggram of tthe iintrooducee coombinnatioon coontroollerr 该该交流调速速系统采用用双闭环控控制方式，内内环由转矩矩和磁链滞滞环比较器器构成。当当电机的某某一参数发发生变化，经经过转矩和和磁链比较较器控制作作用，给出出矩阵变换换器的开关
24、关信号，将将电机转矩矩和磁链控控制在差范范围内。外外环是转速速控制环，由由PI调节器构构成，控制制电机的转转速跟随转转速指令。在一个PWWM周期为为TP时间内，直直接转矩控控制所需要要的某一电电压矢量，只只能够由矩矩阵变换器器的两种开开关组合进进行矢量合合成，这样样可以减小小转矩脉动动和使输入入电压跟随随电网电源源。例如，空空间电压矢矢量V1是直接转转矩控制系系统需要的的电压矢量量，若输入入电压空间间矢量也位位于第扇区，则则只有开关关组合+11，-3满足条条件，它们们在一个周周期内的导导通时间占占空比分别别为: （30） （31）4 仿真结结果分析为了验证矩矩阵变换器器无速度传传感器DTTC系
25、统的的性能，本本文使用MMATLAAB/SIIMULIINK进行行了数字仿仿真。电机机参数为：鼠笼式异异步电动机机P=300Kw，Rs=0.4435，Rr=0.8816，Ls=0.002H，Lr=0.002H，Lm=0.669H，电机极对对数P=22。负载转转矩为Tgg=25NNM，磁磁链参考值值为=00.56wwb，PI调节器器输出为550N.mm，系统的的PWM周期期Tp=440s。电电机启动时时以PI调节器器输出极限限转矩启动动。仿真波波形中输入入电流是PPWM波形形。图4 指令令转速Fig4 Insttructtion rotaate sspeedd图5 辨识转速速Fig5 Ident
26、tificcatioon off rottate speeed 图66 计算转转速Fig6 Calcuulatiion oof rootatee speeed图4为指令令转速。图图5、图6分别为电电机的自适适应辨识转转速和计算算转速仿真真波形（电电机速指令令：6000r/miin800rr/minn300rr/minn）。可以以看出采用用速度自适适应辨识方方法，动态态响应快，稳稳定精度较较高；指令令转速突变变时辨识转转速反应迅迅速，超调调量小；在在较低转速速（3000r/miin）时仍仍能保持较较高的性能能。图7为矩阵阵变换器输输入电压和和输入电流流波形。交交流电机运运转时输入入电压与输输入电
27、流同同相位，且且启动迅速速，此时负负载转矩为为正，电网网向电动机机提供能量量，矩阵变变换器的输输入功率因因数为1；当负载载转矩在图图示第0.06秒时时变为负，电电机工作在在发电状态态，矩阵变变换器的输输入功率因因数为-11。在负载载变化过程程中，定子子电流能够够快速稳定定，且畸变变小。电机机在两种工工作状态下下，矩阵变变换器输入入电流可双双向流动。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-输入入电压(VV) 实线线-滤波后输输入电流（AA）图7 输入入电压和滤滤波后的输输入电流Fig7 Inpput lline -to-neuttral v
28、olttage and filtteredd inpput lline currrent 图8 电磁磁转矩,1000rr/minnFig.88. Ellectrromaggnetiic toorquee，10000 r/mmin.图9 定定子磁链Fig9 Staator fluxx图10 矩矩阵变换器器输入电流流Fig.110 IInputt currrentt of matrrix cconveerterr图11 电电磁转矩Fig.111. Ellectrromaggnetiic toorquee图12 定定子电流Fig.112. Staator currrent图10 为为矩阵变换换器输入
29、电电流,图a为转速按按图4变化定子子波形，当当转速变化化时输入电电流变化迅迅速，使系系统能快速速回复到稳稳定状态；图b为负载转转矩按图111a变化时输输入电流波波形，由图图可知当负负载转矩变变化时输入入电流变化化快，无明明显畸变。图图11为动动态电磁转转矩，其中中a为负载指指令转矩；图b为负载转转矩变化电电磁转矩波波形。图112为定子子电流，其其中图a为为系统稳态态（电机转转速1000rr/minn）时定子电电流波形；图b为负载转转矩按图111a变化时定定子电流波波形。负载载转矩发生生变化时定定子电流能能快速变化化，并迅速速回复到稳稳定状态。5 结论论基于矩阵变变换器（MMC）和交交流电动机机
30、直接转矩矩控制（DDTC）技技术，本文文提出了一一种MC-DTC无无速度传感感器的交流流电机直接接转矩控制制系统。研研究了基于于电机反电电势作为参参考模型的的MRASS转速辨识识法和直接接计算的转转速辨识法法。在阐述述矩阵变换换器和无速速度传感器器直接转矩矩控制方法法的基础上上，重点讨讨论了三者者的融合技技术。仿真真实验证明明，这种转转速辨识的的精度高于于直接计算算模块的测测量精度，动动态响应也也好。系统统的仿真实实验还验证证了电机在加减速运运行时和负负载转矩变变化时的动动态性能，以以及矩阵变变换器的输输入功率因因数可调节节的特性，这这些优点有有利于提高高DTC系统统的控制精精度和改善善电网质
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37、0002.413 崔江霞. 感应电动动机直接转转矩系统的的模型参考考自适应辨辨识J. 太原原理工大学学学报，22004.3:137-140作者介绍：朱建林 教教授，博士士生导师，研研究方向为为电力电子子与电力传传动。(Zhu Jiann-linn Prrofesssor. Hiss ressearcch inntereests incllude Poweer ellectrroniccs annd poower trannsmisssionn.)毛朝斌 在在读硕士研研究生，研研究方向为为电力电子子与电力传传动。（Mao Zhaoo-binn Maasterr of XianngTann Uni
38、iverssity. Hiss ressearcch inntereests incllude Poweer ellectrroniccs annd poower trannsmisssionn.）易灵芝 教教授，硕士士生导师，研研究方向为为电力电子子与电力传传动。(Li LLing-Zhi Proofesssor. Her reseearchh intteressts iincluude PPowerr eleectroonicss andd powwer ttranssmisssion.)谭平安 讲讲师，研究究方向为电电力电子与与电力传动动。(Tan Pingg-an Doccent. Hiss ressearcch inntereests incllude Poweer ellectrroniccs annd poower trannsmisssionn.)