李 瀛，胡立坤，梁冰紅

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

0 引 言

直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)電機(jī)是一種動(dòng)態(tài)的、高性能的變壓變頻調(diào)速技術(shù)，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，控制方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速［1，2］。

傳感器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛，在電機(jī)的閉環(huán)控制中，采用電壓傳感器和電流傳感器分別采集電機(jī)的電壓和電流信號(hào)，然而定子電壓存在脈動(dòng)，達(dá)不到采樣頻率時(shí)，傳感器采集的電壓會(huì)出現(xiàn)失真，嚴(yán)重影響了電機(jī)的調(diào)速性能。調(diào)速系統(tǒng)中一般用編碼器采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但編碼器會(huì)增加系統(tǒng)成本，檢測(cè)誤差降低系統(tǒng)可靠性和魯棒性。針對(duì)這些問(wèn)題，許多專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)始研究無(wú)電壓傳感器和無(wú)速度傳感器控制，取得了良好的控制效果［3～5］，但在電機(jī)控制中應(yīng)用卻較少［6］。

基于以上的問(wèn)題，本文提出了帶模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)速度觀測(cè)器的無(wú)電壓傳感器控制策略。通過(guò)逆變器的導(dǎo)通狀態(tài)和直流側(cè)電壓估算三相定子電壓，達(dá)到節(jié)省電壓傳感器的目的?；谵D(zhuǎn)子磁鏈MRAS 設(shè)計(jì)速度觀測(cè)器，能得到精確的反饋轉(zhuǎn)速。最后，通過(guò)dSPACE DS1104，QUANSER8(Q8)搭建硬件在回路平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提策略的可行性和其具有的良好性能。

1 改進(jìn)型異步電機(jī)DTC

DTC 無(wú)需對(duì)電流進(jìn)行解耦，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的偏差，加上定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，達(dá)到減少電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈幅值的偏差，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

本文采用MRAS 速度觀測(cè)器代替編碼器估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)PWM 逆變器導(dǎo)通狀態(tài)和直流側(cè)電壓估算三相定子電壓，則改進(jìn)后的異步電機(jī)DTC 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 無(wú)電壓傳感器控制

逆變器主電路如圖2 所示［7］。

圖1 改進(jìn)型DTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structural block diagram of improved DTC system

圖2 逆變器結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of converter

從中可以看出，由于電機(jī)與逆變器相連，定子電壓與逆變器相電壓相等。因此，電機(jī)三相定子電壓和αβ 坐標(biāo)系下的電壓為

其中，udc為逆變器直流側(cè)電壓，Sa為逆變器三相橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)，Sa，b，c=1 表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷;Sa，b，c=0表示下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷。由式(1)、式(2)可得到電機(jī)三相定子電壓和αβ 坐標(biāo)系下的電壓，省去了電壓傳感器。

3 MRAS 無(wú)速度傳感器

模型參考自適應(yīng)是一種閉環(huán)估計(jì)方法［8］。轉(zhuǎn)子磁鏈MRAS 速度觀測(cè)器主要包括參考模型和可調(diào)模型，參考模型不含轉(zhuǎn)速信息，而可調(diào)模型含轉(zhuǎn)速信息，兩模型的輸出產(chǎn)生誤差信號(hào)并反饋到自適應(yīng)機(jī)制，不斷地調(diào)節(jié)可調(diào)模型直到兩模型輸出誤差為0，此時(shí)即可得到準(zhǔn)確的估計(jì)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子磁鏈MRAS 速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)子磁鏈MRAS 速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structural block diagram of rotor flux MRAS speed observer

如圖3，參考模型通常稱(chēng)為電壓模型，是一個(gè)定子方程。在靜止參考坐標(biāo)系下，由定子電壓和電流得到參考模型的轉(zhuǎn)子磁鏈分量

可調(diào)模型通常稱(chēng)為電流模型，是一個(gè)轉(zhuǎn)子方程。由定子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速得到估計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈分量

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一種基于Matlab/Simulink 的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，分別有8 路A/D 和D/A，可直接輸出三相PWM 控制脈沖。本實(shí)驗(yàn)采用一種4 kW 三相異步電機(jī)，采樣頻率50 kHz，開(kāi)關(guān)頻率5 kHz，死區(qū)時(shí)間5 μs。

給定轉(zhuǎn)速由100 r/min 升到500 r/min，給定定子磁鏈為0.53 Wb，電機(jī)空載運(yùn)行。MRAS 無(wú)速度傳感器和編碼器采集轉(zhuǎn)速的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 MRAS 無(wú)速度傳感器估計(jì)的轉(zhuǎn)速Fig 4 Estimated rotating speed of MRAS speed sensorless

由式(8)和式(9)產(chǎn)生誤差信號(hào)并通過(guò)自適應(yīng)機(jī)制減小參考轉(zhuǎn)子磁鏈和估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈間的誤差信號(hào)，傳統(tǒng)的自適應(yīng)機(jī)制本質(zhì)就是一個(gè)PI 控制器，由其產(chǎn)生的估計(jì)轉(zhuǎn)速反饋到可調(diào)模型，誤差信號(hào)和估計(jì)轉(zhuǎn)速表示為

從圖中可以看出:MRAS 速度觀測(cè)器能精確地估計(jì)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退俚礁咚俚倪^(guò)程中估計(jì)都較為準(zhǔn)確，和編碼器采回來(lái)的轉(zhuǎn)速相一致，且估計(jì)的轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，但觀測(cè)器和編碼器均存在延遲，事實(shí)上，觀測(cè)器和編碼器一定會(huì)有時(shí)間上的延遲。升速過(guò)程中，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈如圖5 所示。

圖5 調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 5 Experimental results of speed regulating system

從圖5 可以看出:當(dāng)電機(jī)速度發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩能迅速響應(yīng)，調(diào)速性能良好。圖5(a)為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以看出:在電機(jī)給定速度變?yōu)?00 r/min 時(shí)，轉(zhuǎn)矩瞬間達(dá)到大約8 N·m 左右，而后快速下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不大。圖5(b)為定子磁鏈，在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，其值一直為給定磁鏈0.53 Wb，磁鏈波動(dòng)很小，控制較好。

5 結(jié) 論

本文提出了帶有MRAS 速度觀測(cè)器的無(wú)電壓傳感器DTC 策略，基于異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型得到轉(zhuǎn)子磁鏈的兩種模型——參考模型和可調(diào)模型，觀測(cè)器能精確地估計(jì)轉(zhuǎn)速，可代替編碼器實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器調(diào)節(jié)控制，提高了系統(tǒng)的魯棒性和應(yīng)用性。進(jìn)而又根據(jù)逆變器的導(dǎo)通狀態(tài)和直流側(cè)電壓估算三相定子電壓，省略了電壓傳感器，節(jié)省了系統(tǒng)的成本。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種控制方法的可行性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，控制精度高，電機(jī)調(diào)速性能得到良好的改善。參考文獻(xiàn):

［1］ Che Changjin，Qu Yongyin.Research on drive technology and control strategy of electric vehicle based on SVPWMDTC［C］∥2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011:44－49.

［2］ Eleftheria S Sergaki，Stavros D Moustaizis.Efficiency optimization of a direct torque controlled induction motor used in hybrid electric vehicles［C］∥2011 Electromotion Joint Conference，2011:398－403.

［3］ 趙仁德，賀益康.PWM 整流器虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制仿真研究［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17(5):94－98.

［4］ Suul J A，Luna A，Undeland T.Virtual－flux－based voltage－sensorless power control for unbalanced grid conditions［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(9):4071－4087.

［5］ Schauder C.Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers［J］.IEEE Trans on Industry Applications，1992，28(5):1054－1061.

［6］ Wang Gaolin，Xu Dianguo，Yu Yong，et al.Improved rotor flux estimation based on voltage model for sensorless field－oriented controlled induction motor drives［C］∥Power Electronics Specialists Conference，Rhodes，2008:1887－1890.

［7］ 朱 緋，盧子廣，胡立坤，等.異步電機(jī)無(wú)交流電壓傳感器自然坐標(biāo)控制［J］.電力電子技術(shù)，2014，48(1):91－92.

［8］ Shady M Gadoue，Damian Giaouris.Performance evaluation of a sensorless induction motor drive at very low and zero speed using a MRAS speed observer［C］∥2008 IEEE Region 10 Colloquium and the Third International Conference on Industrial and Information Systems，2008:1－6.