潘寶安

PAN Bao-an

（臨沂職業(yè)學(xué)院, 臨沂 276000 ）

0 引言

矩陣變換器是一種新型交-交電力變換器，與傳統(tǒng)的交-直-交變頻器相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如矩陣變換器輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動(dòng)，無直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能元件，輸入輸出波形良好。如今，針對(duì)矩陣變換器進(jìn)行了很多研究，如用于變頻調(diào)速系統(tǒng)[1]，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[2]，航空宇航系統(tǒng)[3],車輛牽引系統(tǒng)[4]等。其中變頻調(diào)速系統(tǒng)是研究的熱點(diǎn)，目前已經(jīng)有基于矩陣變換器的磁場(chǎng)定向控制[5]和直接轉(zhuǎn)矩控制[6]方面的研究。

1 間接式矩陣變換器

矩陣變換器可分為直接式矩陣變換器和間接式矩陣變換器。間接式矩陣變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 間接式矩陣變換器的結(jié)構(gòu)

類似于傳統(tǒng)交-直-交變頻器，間接式矩陣變換器包含整流側(cè)和逆變側(cè)，因此可分別對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)進(jìn)行調(diào)制。但間接式矩陣變換器無中間直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能元件。

1.1 整流側(cè)的PWM調(diào)制

如圖2所示，將三相輸入電壓劃分為6個(gè)扇區(qū)，在每個(gè)扇區(qū)中，總有一相電壓絕對(duì)值最大，另外兩相電壓與之反相。這樣劃分的目的是為了獲取最大的直流電壓。例如在第1扇區(qū)，ua為正，且絕對(duì)值最大，ub,uc為負(fù)。此時(shí)占空比計(jì)算為

θa,θb,θc輸入相電壓的相角。其他五個(gè)扇區(qū)與第1扇區(qū)的計(jì)算方法相同。

圖2 輸入電壓扇區(qū)劃分

1.2 逆變側(cè)的SVPWM調(diào)制

如圖3所示，根據(jù)逆變側(cè)開關(guān)狀態(tài)的不同，將輸出電壓也劃分為六個(gè)扇區(qū)。1代表上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，0則相反。因此，共包含6個(gè)有效矢量(U1～ U6)和2個(gè)零矢量(U0和U7)。當(dāng)期望輸出

Uref 時(shí)

圖3 輸出電壓扇區(qū)

Un和Um為Uref所在扇區(qū)內(nèi)的兩個(gè)相鄰矢量，U0為零矢量 (000或111). 占空比計(jì)算為

mV為逆變側(cè)調(diào)制系數(shù)，0 ≤ mV≤1。

2 矩陣變換器—永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)具有較高的功率密度，較高的效率，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格呈正比，因此常用于需要較高精度的伺服系統(tǒng)中。

在永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，矢量控制可獲得快速的速度響應(yīng)和較好的轉(zhuǎn)矩性能[7]，因此本文采用矢量控制。上一部分矩陣變換器的逆變側(cè)的SVPWM調(diào)制即針對(duì)于永磁同步電機(jī)的矢量控制。

矢量控制系統(tǒng)如圖4所示，其中的速度估算將在下一部分進(jìn)行介紹。首先，三相定子電流被變換為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦量，包括磁通分量(id)和轉(zhuǎn)矩分量(iq)。系統(tǒng)中包含三個(gè)PI控制器，其中一個(gè)外環(huán)控制器用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，另外兩個(gè)內(nèi)環(huán)控制器用于分別調(diào)節(jié)id和iq。系統(tǒng)采用id=0控制方式，這旨在獲得最大轉(zhuǎn)矩控制。

圖4 矩陣變換器—永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

3 無傳感器控制系統(tǒng)

為了獲得閉環(huán)控制和磁場(chǎng)定向，需要檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。然而，速度傳感器的引入增大了系統(tǒng)的體積，提高了成本，并且限制了在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。由永磁同步電機(jī)本身的模型，可以通過檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流推算出轉(zhuǎn)速，而不使用傳感器，這就是無傳感器技術(shù)。估算轉(zhuǎn)速的方法有很多，本文采用模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)。

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)就是將不含估算參數(shù)的方程作為參考模型，將含有待估參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，通過比較兩個(gè)模型，當(dāng)其差值為零時(shí)，即認(rèn)為可調(diào)模型中的待估參數(shù)為實(shí)際值。

在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)方程為

將定子電流作為變量

u 'q=uq,由(5)得

其中

式(6)包含轉(zhuǎn)子速度信息，將其作為參考模型。ωr為待估參數(shù)，令估算值，則

式(6)變?yōu)?/p>

如果式(7)與實(shí)際值相同，則式(7)即為電機(jī)的精確模型。通過PI調(diào)節(jié)，估算轉(zhuǎn)速可表示為

其中

通過PI調(diào)節(jié)，誤差信號(hào)εω產(chǎn)生估算轉(zhuǎn)速 ωr

^。迫使估算的定子電流 i 's^逼近實(shí)際定子電流i's，ω^即此時(shí)估算轉(zhuǎn)速逼近實(shí)際轉(zhuǎn)速?；谀Ｐ蛥⒖?/p>

r自適應(yīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速估算如圖5所示。轉(zhuǎn)子位置可由估算轉(zhuǎn)速積分求得。

4 仿真分析

設(shè)仿真參數(shù)如下所示：

三相輸入: 220V, 50Hz

定子電阻: 0.9585Ω

定子電感:Ld=Lq=5.25mH

永磁體磁通: 0.1827Wb

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: 0.0006329 kg●m2

摩擦因數(shù): 0.0003035 N m s

極對(duì)數(shù): 4

1）系統(tǒng)仿真結(jié)果

設(shè)開始時(shí)給定轉(zhuǎn)速為200rpm，0.2s時(shí)突變?yōu)?00rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N.m，仿真波形如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速突變時(shí)的仿真波形

圖6表明間接式矩陣變換器—永磁同步電機(jī)系統(tǒng)可以很好地跟蹤指令轉(zhuǎn)速的變化。

2）無傳感器控制系統(tǒng)的仿真

設(shè)開始時(shí)給定轉(zhuǎn)速為200rpm，0.2s時(shí)突變?yōu)?00rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N.m，仿真波形如圖7所示。

圖7 無傳感器控制系統(tǒng)的仿真

圖7表明設(shè)計(jì)的無傳感器控制系統(tǒng)可以很好地進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算，并可用估算的轉(zhuǎn)速代替實(shí)際的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了無傳感器控制，降低了成本，縮小了體積，提高了可靠性。

5 結(jié)論

通過仿真結(jié)果可得，矩陣變換器是一種優(yōu)越的電力變換器，可用作永磁同步電機(jī)的供電電源，具有良好的指令轉(zhuǎn)速跟蹤性能。提出的無傳感器控制技術(shù)可應(yīng)用于此系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速估算和無傳感器控制，降低了成本，縮小了體積，提高了系統(tǒng)可靠性。

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