摘 要：異步電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)因其對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴小，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，已經(jīng)被廣泛研究，當(dāng)逆變器交流側(cè)瞬時(shí)斷電，系統(tǒng)在重投入時(shí)，由于電機(jī)殘壓效應(yīng)的存在，可能會(huì)產(chǎn)生比啟動(dòng)時(shí)更嚴(yán)重的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致勵(lì)磁的失敗，引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。需要研究減小重投時(shí)刻定子沖擊電流的方法，文章基于此問題建立異步電機(jī)斷電后殘壓模型，提出一種結(jié)合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動(dòng)策略，沖擊減小，確保重投運(yùn)行的成功。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；無速度傳感器；帶速重投

引言

直接轉(zhuǎn)矩控制自上世紀(jì)八十年代Depenbr-ock提出以來，由于其簡單的結(jié)構(gòu)和良好的動(dòng)態(tài)性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種交流傳動(dòng)系統(tǒng)中。直接轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)估計(jì)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，選擇合適的電壓矢量用于直接控制轉(zhuǎn)矩的大小。相比矢量控制，它只需利用定子電阻來估計(jì)磁鏈，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性減小了，且不用進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)矩和磁鏈的動(dòng)態(tài)性能較好。交流傳動(dòng)系統(tǒng)中速度傳感器的存在會(huì)提高成本及復(fù)雜程度，尤其高速運(yùn)行時(shí)，速度傳感器的故障率較高。因此采用無速度傳感器控制可以簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本。

文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2針對(duì)無速度傳感器控制系統(tǒng)帶速重投問題進(jìn)行了研究，主要研究為轉(zhuǎn)速估計(jì)問題，若重投入時(shí)轉(zhuǎn)速觀測(cè)誤差太大，則可能導(dǎo)致勵(lì)磁失敗。在帶速重啟動(dòng)過程中，斷電之后，異步電機(jī)定子側(cè)會(huì)留有殘壓，若逆變器重啟動(dòng)時(shí)輸出的電壓與殘壓的相位差為180°，則將產(chǎn)生較大的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩，該沖擊也可能造成重啟動(dòng)失敗，乃至損壞電機(jī)。針對(duì)定子側(cè)殘壓問題，文章在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了系統(tǒng)斷電后電機(jī)定子側(cè)產(chǎn)生的殘壓，提出一種結(jié)合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動(dòng)策略，控制重啟動(dòng)時(shí)逆變器輸出電壓與殘壓的相位之差在合適范圍之內(nèi)，減小沖擊。

1 基于MARS的全維速度觀測(cè)方案

基于MARS的速度觀測(cè)器具有良好的實(shí)用性，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，穩(wěn)定性較好，且與降維觀測(cè)器相比，全維觀測(cè)器具有魯棒性強(qiáng)、低速特性好等優(yōu)點(diǎn)，因此采用基于MARS的全維速度估算方法，建立異步電機(jī)無速度傳感器DTC系統(tǒng)。

選取兩相靜止坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可由以下四階狀態(tài)方程描述：

由磁鏈觀測(cè)器極點(diǎn)正比于原系統(tǒng)極點(diǎn)方法求取合適的增益矩陣G，使得式（6）的第一部分（A+GC）T+（A+GC）<0，則觀測(cè)器是穩(wěn)定的。為加快轉(zhuǎn)速辨識(shí)的收斂速度和提高辨識(shí)精度，采用PI自適應(yīng)率，轉(zhuǎn)速自適應(yīng)辨識(shí)算法為：

2 帶速重投中的殘壓研究

逆變器交流側(cè)出現(xiàn)瞬時(shí)斷電時(shí)，上述速度辨識(shí)方案中所用到的狀態(tài)參量都在向零衰減，此時(shí)速度辨識(shí)獲得的速度觀測(cè)值誤差太大。轉(zhuǎn)速在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸減小，如果在重投時(shí)刻估計(jì)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速相差過大，重投時(shí)將無法成功勵(lì)磁，導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行失敗。文獻(xiàn)1針對(duì)此問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出一種在斷電后采用自尋優(yōu)模糊搜索的方法來辨識(shí)斷電后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以有效的減小重投時(shí)刻辨識(shí)速度和真實(shí)速度的誤差，提高了重投的成功率。

然而電機(jī)失電之后，定子電流短時(shí)間變?yōu)?，但轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)較大，使得轉(zhuǎn)子側(cè)的電流衰減速度較慢，而殘留的轉(zhuǎn)子電流作為激磁電流會(huì)產(chǎn)生氣隙磁通，進(jìn)而在定子繞組側(cè)感應(yīng)出殘余電壓。若帶速重啟動(dòng)時(shí)刻定子側(cè)感應(yīng)的殘壓與逆變器的輸出電壓相位相差180°時(shí)，將形成比啟動(dòng)時(shí)更大的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，沖擊過大甚至?xí)p壞電機(jī)，且在負(fù)轉(zhuǎn)矩的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將快速降低，此時(shí)自尋優(yōu)模糊速度觀測(cè)方案也無法估算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致整體系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)無法勵(lì)磁。

2.1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在定子參考坐標(biāo)系下，異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子電壓、磁鏈和電流矢量方程為：

2.2 斷電后定子側(cè)殘壓分析

假設(shè)t0時(shí)刻逆變器斷電，考慮定子電流迅速衰減為零，此時(shí)為保持主磁路磁鏈不突變，轉(zhuǎn)子的電壓方程可以簡化為：

3 結(jié)合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重投策略

為提高重啟動(dòng)的成功率，有必要進(jìn)一步減小控制系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)刻的沖擊，提出在重啟動(dòng)過程中保證逆變器的電壓相位與異步電機(jī)殘壓相位相差相對(duì)較小的控制策略，以使得重啟動(dòng)時(shí)刻電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊在合理區(qū)間，圖2為逆變器的輸出電壓矢量圖。

結(jié)合圖2和結(jié)合重啟動(dòng)時(shí)電壓矢量的選擇原則，以及計(jì)算得到的殘壓數(shù)據(jù)，選擇合理的開關(guān)電壓矢量使得其與殘壓的相位相差盡量小，保證重啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩在可承受區(qū)間內(nèi)。圖2中，ur為重啟動(dòng)時(shí)的殘壓，此刻殘壓位于第一扇區(qū)，應(yīng)該選擇電壓矢量V1來重啟動(dòng)勵(lì)磁，此時(shí)可保證重啟動(dòng)的逆變器輸出電壓與殘壓的相位之差小于30°。

另外，為進(jìn)一步減小沖擊電流，提出增加定子電流控制電路的控制策略，如圖3所示。

將實(shí)時(shí)采集的定子電流與參考值比較后通過一容差為？著的滯環(huán)控制器，由于重啟動(dòng)中三相電流的不平衡性，有必要控制每一相電流。只有在每一相電流均相比電流參考值？磚？鄢較小的情況下，電流的控制信號(hào)為0，繼續(xù)重投過程，而若其中一相電流大于？磚？鄢并在容差？著范圍以外時(shí)，電流的控制信號(hào)為1，投入的電壓矢量為零矢量，以達(dá)到控制電流的目的。

圖4為帶速重投控制策略結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)斷電后，之前的速度估算方案失效，采用自尋優(yōu)模糊搜索方法計(jì)算轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度，然后根據(jù)式（16）計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)殘壓，進(jìn)而得到殘壓所在相位扇區(qū)，并選擇合適的電壓矢量完成重啟動(dòng)過程。

為進(jìn)一步減小沖擊電流且縮短重投進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，采用一種串、并行混合重啟動(dòng)策略，即根據(jù)殘壓相位，先采用串行法，將投入合適的空間工作矢量保持到磁鏈增加到參考值的一半，然后再改變開關(guān)矢量以同時(shí)增加磁鏈和轉(zhuǎn)矩，直至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，可以縮短重投進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。

4 仿真分析

根據(jù)上述理論，建立了基于Matlab/simulink的異步電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并對(duì)瞬時(shí)斷電的重投過程進(jìn)行仿真分析。異步電機(jī)參數(shù)為：額定功率PN=37kW；額定電壓UN=380V；額定頻率fN=50Hz；Rs=0.029；Rr=0.0749；Ls=0.7235mH；Lr=0.7533mH；Lm=0.0270758H；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.6kg·m2；極對(duì)數(shù)np=2。

系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為100Nm，速度估計(jì)情況如圖5和圖6所示，最大誤差僅為0.001%。

圖7為系統(tǒng)在0.3s逆變器被封鎖后，異步電機(jī)定子側(cè)產(chǎn)生的殘壓圖形，由仿真結(jié)果可看出殘壓的頻率和幅值都隨著轉(zhuǎn)速的下降在不斷衰減。圖8為0.3s斷電后采用自優(yōu)化模糊搜索得到轉(zhuǎn)速，結(jié)果表明此方法可以準(zhǔn)確的估算系統(tǒng)斷電后的轉(zhuǎn)速。

圖9為0.6s時(shí)系統(tǒng)重投過渡過程的各變量變化波形圖，圖a-d為直接重投后情況，圖e-h為采用混合控制重啟動(dòng)方法后的結(jié)果。對(duì)比可知，直接重投入沖擊極大且持續(xù)時(shí)間長，極易導(dǎo)致勵(lì)磁失敗，且電流沖擊過大會(huì)直接導(dǎo)致逆變器損壞。采用混合重投策略，逆變器的輸出電壓與電機(jī)定子側(cè)殘壓相位差小于30°，并結(jié)合電流控制電路，采取串、并行的混合重啟動(dòng)策略，有效的減小了重啟動(dòng)的沖擊電流，減小了系統(tǒng)重啟動(dòng)過程中的沖擊，由圖e-h可知，該重投策略的沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流均較小，且持續(xù)時(shí)間較短，保證了重啟動(dòng)的成功。

5 結(jié)束語

建立了異步電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，介紹了一種基于MARS的全維自適應(yīng)速度觀測(cè)器，該觀測(cè)器具有良好的跟蹤性，能滿足系統(tǒng)的需要。在此基礎(chǔ)上對(duì)帶速重投中的沖擊問題進(jìn)行了研究，分析系統(tǒng)斷電后的定子側(cè)的殘余電壓，提出一種結(jié)合殘壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動(dòng)策略，大大減少了沖擊效應(yīng)，提高了重投的成功率。

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