MC-DTC系统的速度辨识及控制策略研究

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 （湖南南科技大大学信息息与电气气工程学学院 湘湘潭4111201）（E-maail: n）摘要：对于于无速度度传感器器的研究究主要针针对电动动机的矢矢量控制制系统，而而应用于于直接转转矩控制制（DTTC）系系统的很很少。本本文研究究基于矩矩阵变换换器（MC）直接转转矩控制制系统（MMC-DDTC）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

2、，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：交交流电动动机；矩矩阵式变变换器；无速度度传感器器；直接接转矩控控制中图分类号号：TMM3433 文文献标识识码：AAStudyy off sppeedd off diistiinguuishh annd cconttroll sttrattegyy byy MCC-DTTC ssysttemZHU JJiann-linn1, MAAO ZZhaoo-bin1, YII Liing-zhii1, TANN Pingg-ann1,ZHANNG XXiaoo-pinng21 (Co

3、olleege of Infformmatiion Enggineeeriing of Xiaang Taan UUnivverssityy，Xiian Tann，41111005)2 ( CColllegee off Innforrmattionn annd EElecctriicall Ennginneerringg, HHunaan UUnivverssityy off Scciennce andd Teechnnoloogy, Xiianggtann 41112001)（E-maail: n) Abstrractt: Thhe sspeeed ssenssorllesss moostl

4、ly aapplly tto vvecttor conntrool ssysttem of eleectrric macchinne，wwherreass seeldoom aapplly tto ddireect torrquee coontrrol（DDTC）ssysttem. Inn thhis papper thee speeed sennsorrlesss ttechhnollogyy baaseddon mattrixx coonveerteer（MMC）ddireect torrquee coontrrol sysstemm（MCC-DTTC）andd thheirr fuusi

5、oon ttechhnollogyy iss sttudiied. Thhe ddireect callcullatiion meaans andd moodell addapttatiion meaans of thee sppeedd seensoorleess aree diiscuusseed，aand thee sppeedd addapttatiion disstinnguiish meaans andd thhe cconttroll sttrattegyy whhichh saatissfieed witth ssysttem of fussionn iss emmphaasi

6、ss diiscuusseed. Simuulattionn reesullts shoow tthatt acccuraacy of parrameeterr iddenttifiicattionn iss hiigheer tthann meeasuuremmentt acccurracyy off diirecct ccalcculaatioon，dynnamiic rrespponsse iis aalsoo faast. Itts aa hiigh-powwereed AAC sspeeed ggoveerniing sysstemm, the preedomminaancee of

7、f MCC annd DDTC aree exxertted at thee saame timme.Key wwordds：AC mmotoor ; maatriix cconvvertter ; sppeedd sennsorrlesss; dirrectt toorquue cconttroll1 引言言在电力电子子、微电电子及计计算机技技术迅速速发展的的今天，各各种电力力电子变变换器已已在国民民经济中中得到广广泛的应应用，但但与此同同时也给给电力系系统带来来了谐波波污染和和低功率率因数等等负面影影响。矩矩阵变换换器作为为新的“绿色产产品”受到大大家的重重视。目目前对矩矩阵变换换器本身身

8、的研究究已取得得了长足足的进展展，但基基于矩阵阵变换器器的直接接转矩控控制的交交流传动动系统的的研究却却很少见见诸报导导。文献献1 提出了了一种适适用于矩矩阵变换换器供电电的感应应电机调调速系统统的组合合控制策策略，同同时实现现了矩阵阵式变换换器的空空间矢量量调制和和感应电电机的定定子磁场场定向直直接转矩矩控制。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(Dirrectt Toorquue CConttroll，DTCC)在19985年年由德国国鲁尔大大学的DDepeenbrrockk教授提提出22，是继矢矢量控制制之后发发展起来来的新型

9、型交流调调速技术术，具有有转矩响响应快和和鲁棒性性好的特特点。在在交流调调速中，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，电机机速度辨辨识的方方法很多多，常见见的有直直接计算算法、自自适应法法、模型型参考自自适应法法、神经经网络法法以及卡卡尔曼滤滤波法等等。这些些方法的的研究大大多是针针对矢量量控制系系统开展展的。由由于直接接转矩控控制系统统有自己己的特点点，因此此有些速速度辨识识方法并并不适用用或其效效果远不不如矢量量控制系系统中应用。本文文对直接接计算法法和转速速模型参参考自适适

10、应辨识识法进行行了仿真真研究。并并重点讨讨论了速速度模湖南教育厅厅科研项项目资助助(066C8333)。Hunann edducaatioon ddepaartmmentt prrojeect of peccuniiaryy aiid (06cc8333) .型参考自适适应辨识识方法与与满足系系统融合合要求的的控制策策略。1975年年AAAbboondaantii等人推推导出基基于稳态态方程的的转差频频率估算算法，在在无速度度传感器器领域作作出了首首次尝试试4。文献5率率先采用用模型参参考自适适应(MMRASS )的的方法实实现了对对电机转转速的自自适应辨辨识。文文献66和文文献77在电电机全

11、阶阶观测器器的基础础上分别别采用李李雅普诺诺夫理论论和波波波夫理论论推导出出了电机机转速以以及电机机定转子子电阻的的自适应应收敛率率，从而而构造了了速度自自适应的的转子磁磁链观测测器。UUwe Baaaderr等学者者采用定定子磁场场的角速速度减去去转子磁磁场相对对于转子子的角速速度以及及定转子子磁场的的相对角角速度，即即得到电电机的转转速88。无无速度传传感器技技术可以以提高转转速的检检测精度度，降低低系统成成本，提提高系统统的可靠靠性。根据模型参参考自适适应（MMRASS）原理，本本文以电电机反电电势的模模型，构构建直接接将闭环环观测得得到的定定子磁链链应用于于矩阵式式变换器器DTCC系统

12、9。由于于采用自自适应原原理对电电机反电电势观测测，使得得电机反反电势及及转速的的计算更更为准确确。根据据上述思思路，本本文在MMATLLAB/SIMMULIINK环环境下构构建了仿仿真模型型，对矩矩阵变换换器交流流电机无无速度传传感器直直接转矩矩系统进进行仿真真。2 矩阵阵变换器器控制策策略11矩阵变换器器是由连连接在两两个独立立的三相相系统之之间的双双向开关关矩阵组组成110。三相三相矩矩阵变换换器在理理论上可可以等效效为一个个电压源源整流器器（VSSR）和和一个电电压源逆逆变器（VVSI）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

13、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 矩矩阵变换换器开关关组合Tablee 1 Swittchiing Connfigguraatioons Useed IIn Thee Proopossed Conntrool SScheeme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 -5

14、b 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PPARKK矢量变变换可以以得到如如图1(a)输输入电流流空间矢矢量和图图1(bb)输出出相电压压空间矢矢量。在在图1(a)输输入电流流空间矢矢量图中中，根据据空间矢矢量调制制原理，输输入相电电流参考考空间矢矢量的相相位由检检测到的的输入相相电压空空间矢量量和设定定的输入入相移角角决定。任任意时刻刻输入相相电流参参考空间间矢量可可由组成成所在扇扇区的两两个相邻邻的非

15、零零开关状状态矢量量和一个个零矢量量合成得得到，而而开关状状态矢量量在每个个采样周周期内的的持续时时间可根根据空间间矢量调调制原理理和正弦弦定理计计算得到到。同理，在图图1(bb)输出出电压空空间矢量量图中，考考虑VSSI的输输出相电电压空间间矢量调调制。任任意时刻刻的输出出相电压压参考空空间矢量量由所在在扇区的的两个相相邻的非非零电压压开关状状态矢量量和一个个零矢量量组合而而成，而而开关状状态矢量量的持续续时间则则根据空空间矢量量调制原原理计算算得到。图1 输入入电流、输输出电压压空间矢矢量Fig1 Inpput currrennt aand Outtputt vooltaage spaac

16、e vecctorrs 将以上两个个空间矢矢量调制制过程结结合起来来，就可可以使矩矩阵式变变换器实实现如下下功能：在感性性负载条条件下，输输出电流流波形为为正弦；在经过过输入LLC滤波波器滤波波后，输输入电流流波形为为正弦；通过改改变输入入相移角角，可以以方便地地调节输输入功率率因数。3 无速速度传感感器矩阵阵变换器器与DTTC组合合控制策策略3.1 速度辨辨识3.1.11 直接接计算法法 这这种方法法的出发发点是，根根据电机机的基本本电路及及电磁关关系式，推推导出关关于转差差或转速速的估计计表达式式。 在静静止坐标标系中，转转子磁链链可以表表示为： （11）转子磁链与与定子坐坐标系轴的夹夹角

17、可以表表示为： （2）由此得转子子磁链的的旋转角角速度为为： （3）另外可以将将式（33）转换换为前向向差分的的形式，即即“ （44）式中，T为为控制周周期。将将式（11）代入入式（33）得： （5）由于电机的的电磁转转矩为： （6）因此电机速速度为： （77）式中，npp为电机机极对数数。由式式（4）（7）可以求求得电机机转速。可可见此方方法理论论上没有有延时，具具有较好好的动静静态性能能，但缺缺乏误差差校正环环节，任任何参数数的变化化或检测测误差都都将直接接导致推推算误差差。3.1.22转速的的模型参参考自适适应辨识识111 基基本原理理是将不不含转速速的方程程作为参参考模型型，含有有转速

18、的的方程作作为可调调模型，并并且两个个模型具具有相同同物理意意义的输输出量。利利用两个个模型输输出量构构成的误误差，采采用比例例积分自自适应率率实时调调节可调调模型参参数(转速)，以实实现估算算转速的的目的。 基基于上述述思想，由由交流电电机模型型可知转转子磁场场下的观观测模型型。转子子磁链的的电流模模型1213为： （8） （9）式中r=Lr/Rr为转子子时间常常数。 对式（8）、（9）两边微微分，电电机反电电势模型型可写为为： （10） （11）转子磁链的的电压模模型： （12） （13）式中=11-L22m/(LsLr)。由式（122）、（13）可知，电电机反电电势模型型可写为为： （1

19、4） （15）从式（144）、（15）可以看看出，反反电势与与转速信信息无关关，而式式（10）、（4）中观测测到的反反电势受受电机转转速的影影响。从从而可以以认为（14）、（15）观测到到的反电电势是准准确的。若若能使式式（10）、（11）反电势势跟踪式式（14）、（15）所观测测到的反反电势，也也就是使使估算转转速跟踪踪电机运运转的实实际转速速。 在在一个采采样周期期内，转转速r的变化化可以忽忽略不计计，即认认为转速速不变。以以式（14）、（15）为辨识识系统的的参数模模型，用用速度辨辨识值代代替式（10）、（11）中的r，设计计速度辨辨识系统统的可调调模型为为； （16） （17） 、为为

20、反电势势的辨识识值。用用式（10）减去式式（16），式（11）减去式式（17）可得到到辨识系系统的误误差方程程为（误误差变量量，）： （18） （19）根据该偏差差利用波波波夫超超稳定性性理论得得到自适适应律，从从而准确确地对转转速进行行辨识。 通通常，电电机模型型是线性性时变系系统，转转速r是变量量。然而而当转速速r的变化化速度远远远低于于电量的的变化速速度时，可可以认为为是常数数。此外外，电机机的定子子电阻RRs和转子子电阻RRr随温度度缓慢变变化，也也可以看看作常数数。据此此，依据据波波夫夫超稳定定理论推推导出转转速r的自适适应收敛敛律，并并使系统统保持稳稳定状态态。将误误差方程程记为：

21、 （20）式中， 转速的的辨识为为如下： （21） 因此，采采用（21）作为r的自适适应律，可可以使系系统满足足稳定条条件。为为了满足足动态性性能的要要求，积积分形式式的转速速自适应应（21）可以改改用公式式（22）所示的的比例微微分形式式的自适适应率。 （22） 由由于定子子电阻的的存在，使使辨识性性能在低低速下没没有得到到较大的的改进。本本文采用用从参考考模型中中去掉定定子电阻阻，采用用无功功功率模型型，令： （23） （224）无功功率可可表示为为 （255）式中“”表表示矢量量积。将将式（114）（115）写写成复数数形式为为 （266）由于，可得得： （277）以式（100）、（11

22、1）求求得的ees与is叉积得得到式（228）作作为可调调模型的的输出 （288）同样可以推推得角速速度表达达式如式式（299）： （229） 无无功功率率模型的的最大优优点是消消除了定定子电阻阻的影响响，为拓拓宽调速速范围提提供了新新途径。为为此，可可以构成成图2所所示的模模型参考考自适应应辨识方方案。图2 模模型参考考自适应应速度辨辨识系统统框图Fig2 Moddel reffereencee addapttatiion speeed disstinnguiish sysstemm diiagrram3.2组合合控制策策略矩阵变换器器不具有有作为直直流储能能环节的的大电感感或大电电容，这这

23、一特点点使得输输入侧与与输出侧侧之间可可以相互互直接影影响。当当矩阵变变换器输输入侧电电压出现现不平衡衡或畸变变时，输输出侧电电压波形形会发生生相应的的变化；而当输输出侧负负载发生生变化引引起输出出电流波波形变化化时，矩矩阵变换换器的输输入侧电电能质量量也很容容易受到到严重的的影响。在在矩阵变变换器驱驱动异步步电动机机调速系系统中，变变换器的的输出侧侧电压电电流关系系到异步步电动机机的传动动性能，而而输入侧侧电流关关系到电电网电能能质量，因因此，必必须将矩矩阵变换换器的调调制和异异步电动动机的控控制结合合起来一一并实现现。本文提出的的组合控控制策略略可由一一个结构构如图33所示的的组合控控制器

24、实实现，它它能够同同时进行行矩阵变变换器的的空间矢矢量调制制和基于于异步电电动机的的定子磁磁场定向向直接转转矩控制制。图3 采采用组合合控制器器的矩阵阵式变换换器驱动动交流电电动机调调速系统统框图Fig.33 Thee maatriix cconvvertter ddrovve iinduuctiion mottor driive sysstemm diiagrram of thee inntrooducce commbinnatiion conntroolleer 该该交流调调速系统统采用双双闭环控控制方式式，内环环由转矩矩和磁链链滞环比比较器构构成。当当电机的的某一参参数发生生变化，经经过

25、转矩矩和磁链链比较器器控制作作用，给给出矩阵阵变换器器的开关关信号，将将电机转转矩和磁磁链控制制在差范范围内。外外环是转转速控制制环，由由PI调节器器构成，控控制电机机的转速速跟随转转速指令令。在一个PWWM周期期为TP时间内内，直接接转矩控控制所需需要的某某一电压压矢量，只只能够由由矩阵变变换器的的两种开开关组合合进行矢矢量合成成，这样样可以减减小转矩矩脉动和和使输入入电压跟跟随电网网电源。例例如，空空间电压压矢量VV1是直接接转矩控控制系统统需要的的电压矢矢量，若若输入电电压空间间矢量也也位于第第扇区，则则只有开开关组合合+1，-3满足足条件，它它们在一一个周期期内的导导通时间间占空比比分

26、别为为: （30） （31）4 仿真结结果分析析为了验证矩矩阵变换换器无速速度传感感器DTTC系统统的性能能，本文文使用MMATLLAB/SIMMULIINK进进行了数数字仿真真。电机机参数为为：鼠笼笼式异步步电动机机P=330Kww，Rs=0.4355，Rr=0.8166，Ls=0.02HH，Lr=0.02HH，Lm=0.69HH，电机极极对数PP=2。负负载转矩矩为Tgg=255NMM，磁链链参考值值为=0.556wbb，PI调节节器输出出为500N.mm，系统统的PWWM周期期Tp=40s。电电机启动动时以PPI调节节器输出出极限转转矩启动动。仿真真波形中中输入电电流是PPWM波波形。图

27、4 指令令转速Fig4 Insstruuctiion rottatee sppeedd图5 辨识转转速Fig5 Idenntifficaatioon oof rrotaate speeed 图66 计算算转速Fig6 Calcculaatioon oof rrotaate speeed图4为指令令转速。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为矩阵阵变换器器输入

28、电电压和输输入电流流波形。交交流电机机运转时时输入电电压与输输入电流流同相位位，且启启动迅速速，此时时负载转转矩为正正，电网网向电动动机提供供能量，矩阵变换器的输入功率因数为1；当负载转矩在图示第0.06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-输入入电压(V) 实线-滤波后后输入电电流（AA）图7 输入入电压和和滤波后后的输入入电流Fig7 Innputt liine -to

29、o-neeutrral volltagge aand fillterred inpput linne ccurrrentt 图8 电磁磁转矩,10000r/mminFig.88. EElecctroomaggnettic torrquee，10000 r/mmin.图9 定定子磁链链Fig9 Sttatoor ffluxx图10 矩矩阵变换换器输入入电流Fig.110 Inpput currrennt oof mmatrrix connverrterr图11 电电磁转矩矩Fig.111. EElecctroomaggnettic torrquee图12 定定子电流流Fig.112. Staat

30、orr cuurreent图10 为为矩阵变变换器输输入电流流,图a为转速速按图44变化定定子波形形，当转转速变化化时输入入电流变变化迅速速，使系系统能快快速回复复到稳定定状态；图b为为负载转转矩按图图11a变化时时输入电电流波形形，由图图可知当当负载转转矩变化化时输入入电流变变化快，无无明显畸畸变。图图11为为动态电电磁转矩矩，其中中a为负载载指令转转矩；图图b为负载载转矩变变化电磁磁转矩波波形。图图12为定定子电流流，其中中图a为为系统稳稳态（电电机转速速10000r/mmin）时定子子电流波波形；图图b为负载载转矩按按图111a变化时时定子电电流波形形。负载载转矩发发生变化化时定子子电流

31、能能快速变变化，并并迅速回回复到稳稳定状态态。5 结论论基于矩阵变变换器（MMC）和和交流电电动机直直接转矩矩控制（DDTC）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。Ref

32、errencce Casaadeii D, Seerraa G, Taani A. Thee usse oof mmatrrix connverrterrs iin ddireect torrquee coontrrol of indducttionn maachiinessJ. IIEEEE Trranss onn IEE, 20001, 488(6): 10557-110644李夙. 异异步电机机直接转转矩控制制M. 北京：机械工工业出版版社，220011Sunteer SS, CClarre JJ C. A truue ffourr quuadrrantt maatriix cconvv

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