一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機轉(zhuǎn)矩控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直接轉(zhuǎn)矩控制克服了以傳統(tǒng)磁場定向的矢量控制中對參數(shù)敏感的缺陷，不需要將 感應(yīng)電機輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成等效的電流參考值，也不需要復(fù)雜的控制器。它以轉(zhuǎn)矩為中心，以 定子磁場定向的方式實現(xiàn)綜合控制，避免了矢量控制的復(fù)雜坐標變換與電機模型的數(shù)學處 理，直接在電機定子坐標上計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，實現(xiàn)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控 制，能夠獲得實時快速的控制效果。但常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC)系統(tǒng)采用PI控制器來實 現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方法易實現(xiàn)的優(yōu)點，但不能解決穩(wěn)定性和快速性之 間的矛盾，需要根據(jù)不同的控制對象來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，這給調(diào)試過程增加了難度。所以 改善控制器性能對于電機直接轉(zhuǎn)矩的工程應(yīng)用具有很重要的實際意義。
[0003] 國內(nèi)外對此采取了一系列改進措施：Satish和Mohapatra等人于2009年在論文 "DynamicperformanceofamatrixconverterfedspeedsensorlessDTCinduction motordriveusingadaptivespeedobserver.IEEEAppliedPowerElectronics ConferenceandExposition. "中提出了自適應(yīng)速度觀測器有效的改善了系統(tǒng)的動態(tài)性 能，但其參數(shù)自適應(yīng)律選擇困難，無法準確的對電機速度進行辨識；文獻"一種新穎的無傳 感器異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)"將低通濾波器與PLL鎖相環(huán)相結(jié)合進行磁鏈估計的方 法提高了定子磁鏈的估計精度，使定子電阻具有良好的魯棒性，但其穩(wěn)定性受鎖相環(huán)的輸 入相位差影響較大；潘月斗和徐杰等人于2013年在論文"ES0在直接轉(zhuǎn)矩控制矩陣變換器 中的應(yīng)用及穩(wěn)定性分析"中引入的自抗擾控制器（ADRC)，其不依賴控制對象的數(shù)學模型，處 理具有非線性和不確定性的控制系統(tǒng)有很好的效果，但具有參數(shù)多，整定復(fù)雜，需要反復(fù)試 湊，難以達到理想控制效果的缺陷。
[0004] 此外，在DTC系統(tǒng)中，一般還需采用電壓源逆變器，與之相比，近年發(fā)展起來的新 興"綠色"變頻器一矩陣變換器具有能量可雙向流動、輸入電流和輸出電壓正弦、無需儲能 原件、任何負載下可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行的顯著優(yōu)點，它有逐步取代傳統(tǒng)變換器的趨勢。 但常規(guī)矩陣變換器（MC)的電壓傳輸比較低，難以滿足感應(yīng)電機的電壓要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡化控制、提高 電壓傳輸比的直接轉(zhuǎn)矩控制裝置和方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] 一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，包括主控單元、感應(yīng)電機、輸入濾波器、矩陣 變換器、輸出濾波器、輸入電壓檢測單元、定子電壓檢測單元、定子電流檢測單元、驅(qū)動隔離 電路和轉(zhuǎn)速測量單元；
[0008] 所述輸入濾波器串聯(lián)于矩陣變換器的輸入端；
[0009] 所述輸出濾波器并聯(lián)與矩陣變換器的輸出端；
[0010] 所述主控單元分別與輸入電壓檢測單元、定子電壓檢測單元、定子電流檢測單元、 轉(zhuǎn)速測量單元分別連接，并根據(jù)其采集的數(shù)據(jù)計算輸出矩陣變換器的控制信號；
[0011] 所述輸入電壓檢測單元用于檢測矩陣變換器輸入電壓的幅值與相角；
[0012] 所述定子電壓檢測單元與定子電流檢測單元分別檢測電機定子的電壓、電流的幅 值與相角；
[0013] 所述轉(zhuǎn)速測量單元用于對電機轉(zhuǎn)速的實時觀測；
[0014] 所述驅(qū)動隔離電路連接在主控單元和矩陣變換器之間，用于在控制信號與驅(qū)動信 號之間實現(xiàn)光耦隔離。
[0015] 所述的主控單元包括坐標變換電路、自抗擾控制器、磁鏈與轉(zhuǎn)矩的估算電路和滯 環(huán)調(diào)節(jié)電路、磁鏈扇區(qū)判斷電路、輸入電壓扇區(qū)判斷電路、功率因數(shù)滯環(huán)調(diào)節(jié)電路和開關(guān)組 合控制電路。
[0016] 所述的自抗擾控制器采用簡化參數(shù)形式的自抗擾控制器。
[0017] 所述的主控單元中磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)電路具體為二階磁鏈滯環(huán)比較器和三階轉(zhuǎn)矩滯 環(huán)比較器；
[0018] 所述二階磁鏈滯環(huán)比較器將磁鏈估算值與磁鏈參考值比較，所述磁鏈估算值由磁 鏈估算電路依據(jù)定子電壓和電流估算得出，所述磁鏈參考值為預(yù)設(shè)值；
[0019] 所述三階轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器將轉(zhuǎn)矩估算值與轉(zhuǎn)矩參考值比較，所述轉(zhuǎn)矩估算值由轉(zhuǎn) 矩估算電路依據(jù)定子電壓和電流估算得出，所述轉(zhuǎn)矩參考值為所述自抗擾控制器的輸出。
[0020] 所述的矩陣變換器為基于三相boost型交流斬波器的矩陣變換器，即將三相 boost型斬波器中的三個功率管用3X3矩陣變換器替代。
[0021] 一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0022] (1)采集并利用感應(yīng)電機定子電壓電流值得出轉(zhuǎn)矩和磁鏈值的估算值；
[0023] (2)調(diào)節(jié)確定轉(zhuǎn)矩的參考值；
[0024] (3)將轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估算值和參考值作滯環(huán)比較并分別得到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的狀態(tài) 值；
[0025] (4)利用定子磁鏈所在扇區(qū)以及轉(zhuǎn)矩與磁鏈的狀態(tài)值得到定子電壓矢量；
[0026] (5)由矩陣變換器的輸入三相電壓的計算得到電壓的幅值和相位，并據(jù)此進行功 率因數(shù)調(diào)節(jié)得到功率因數(shù)的狀態(tài)值；
[0027] (6)利用輸入電壓扇區(qū)信號、步驟（5)得到的功率因數(shù)的狀態(tài)值以及步驟⑷得到 的定子電壓矢量得到組合控制信號，以此來控制矩陣變換器。
[0028] 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中采集 并利用感應(yīng)電機定子電壓電流值得出轉(zhuǎn)矩和磁鏈值的估算值具體為，
[0029] 在感應(yīng)電機的輸入側(cè)，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進行3/2變換，據(jù)此 求出輸出電壓的幅值、相位后估算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩：
【主權(quán)項】
1. 一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，包括主控單元、感應(yīng)電機、輸入濾波器、矩陣變 換器、輸出濾波器、輸入電壓檢測單元、定子電壓檢測單元、定子電流檢測單元、驅(qū)動隔離電 路和轉(zhuǎn)速測量單元； 所述輸入濾波器串聯(lián)于矩陣變換器的輸入端； 所述輸出濾波器并聯(lián)與矩陣變換器的輸出端； 所述主控單元分別與輸入電壓檢測單元、定子電壓檢測單元、定子電流檢測單元、轉(zhuǎn)速 測量單元分別連接，并根據(jù)其采集的數(shù)據(jù)計算輸出矩陣變換器的控制信號； 所述輸入電壓檢測單元用于檢測矩陣變換器輸入電壓的幅值與相角； 所述定子電壓檢測單元與定子電流檢測單元分別檢測電機定子的電壓、電流的幅值與 相角； 所述轉(zhuǎn)速測量單元用于對電機轉(zhuǎn)速的實時觀測； 所述驅(qū)動隔離電路連接在主控單元和矩陣變換器之間，用于在控制信號與驅(qū)動信號之 間實現(xiàn)光耦隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，所述的主控單元包括 坐標變換電路、自抗擾控制器、磁鏈與轉(zhuǎn)矩的估算電路和滯環(huán)調(diào)節(jié)電路、磁鏈扇區(qū)判斷電 路、輸入電壓扇區(qū)判斷電路、功率因數(shù)滯環(huán)調(diào)節(jié)電路和開關(guān)組合控制電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，所述的自抗擾控制器 采用簡化參數(shù)形式的自抗擾控制器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，所述的主控單元中磁 鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)電路具體為二階磁鏈滯環(huán)比較器和三階轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器； 所述二階磁鏈滯環(huán)比較器將磁鏈估算值與磁鏈參考值比較，所述磁鏈估算值由磁鏈估 算電路依據(jù)定子電壓和電流估算得出，所述磁鏈參考值為預(yù)設(shè)值； 所述三階轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器將轉(zhuǎn)矩估算值與轉(zhuǎn)矩參考值比較，所述轉(zhuǎn)矩估算值由轉(zhuǎn)矩估 算電路依據(jù)定子電壓和電流估算得出，所述轉(zhuǎn)矩參考值為所述自抗擾控制器的輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，其特征在于，所述的矩陣 變換器為基于三相boost型交流斬波器的矩陣變換器，即將三相boost型斬波器中的三個 功率管用3X3矩陣變換器替代。
6. -種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 采集并利用感應(yīng)電機定子電壓電流值得出轉(zhuǎn)矩和磁鏈值的估算值； (2) 調(diào)節(jié)確定轉(zhuǎn)矩的參考值； (3) 將轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估算值和參考值作滯環(huán)比較并分別得到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的狀態(tài)值； (4) 利用定子磁鏈所在扇區(qū)以及轉(zhuǎn)矩與磁鏈的狀態(tài)值得到定子電壓矢量； (5) 由矩陣變換器的輸入三相電壓的計算得到電壓的幅值和相位，并據(jù)此進行功率因 數(shù)調(diào)節(jié)得到功率因數(shù)的狀態(tài)值； (6) 利用輸入電壓扇區(qū)信號、步驟（5)得到的功率因數(shù)的狀態(tài)值以及步驟⑷得到的定 子電壓矢量得到組合控制信號，以此來控制矩陣變換器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中采集并 利用感應(yīng)電機定子電壓電流值得出轉(zhuǎn)矩和磁鏈值的估算值具體為， 在感應(yīng)電機的輸入側(cè)，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進行3/2變換，據(jù)此求出 輸出電壓的幅值、相位后估算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩：
式中：RS為定子電阻；％&分別為定子a軸、0軸磁鏈；k、U分別為定子a軸、0軸的電流分量；PnS電機極對數(shù)；Lm為定子互感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述步驟（2)中調(diào)節(jié)確 定轉(zhuǎn)矩參考值具體為檢測電機轉(zhuǎn)速并與設(shè)定值進行比較，比較結(jié)果作為自抗擾控制器的輸 入，由此得到的輸出為轉(zhuǎn)矩的參考值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6-8中任意所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述步驟（6) 中矩陣變換器為基于三相boost型交流斬波器的矩陣變換器，即將三相boost型斬波器中 的三個功率管用3X3矩陣變換器替代。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6中任意所述的一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特征在于，所述步驟（6) 中的組合控制信號包括開關(guān)狀態(tài)信號和開關(guān)次序信號。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置和方法。一種直接轉(zhuǎn)矩控制裝置，包括主控單元、感應(yīng)電機、輸入濾波器、矩陣變換器、輸出濾波器、輸入電壓檢測單元、電機電壓檢測單元、電機電流檢測單元、驅(qū)動隔離電路和轉(zhuǎn)速測量單元；一種直接轉(zhuǎn)矩控制方法，包括：得到轉(zhuǎn)矩和磁鏈值估計值；確定轉(zhuǎn)矩參考值；轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估計值和參考值做滯環(huán)比較；用磁鏈所在扇區(qū)、轉(zhuǎn)矩與磁鏈的狀態(tài)值得到開關(guān)狀態(tài)選擇信號；由輸入的三相電壓計算得到電壓的幅值和相位并進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)；利用輸入電壓扇區(qū)信號、功率因數(shù)狀態(tài)值及開關(guān)狀態(tài)選擇信號得到組合控制信號來控制矩陣變換器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明降低了操作的復(fù)雜度；保證電壓傳輸比，且不對電網(wǎng)造成污染。
【IPC分類】H02P21-13, H02P21-14, H02P27-12
【公開號】CN104579091
【申請?zhí)枴緾N201510014373
【發(fā)明人】程啟明, 黃偉, 郭凱, 徐聰, 張強, 張海清
【申請人】上海電力學院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月12日