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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)綜合控制，避免了矢量控制的復(fù)雜坐標(biāo)變換與電機(jī)模型的數(shù)學(xué)處 理，直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控 制，能夠獲得實(shí)時(shí)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(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方法易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)直接轉(zhuǎn)矩的工程應(yīng)用具有很重要的實(shí)際意義。
[0003] 國內(nèi)外對此采取了一系列改進(jìn)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(dòng)態(tài)性 能，但其參數(shù)自適應(yīng)律選擇困難，無法準(zhǔn)確的對電機(jī)速度進(jìn)行辨識；文獻(xiàn)"一種新穎的無傳 感器異步電動(dòng)機(jī)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(jìn)行磁鏈估計(jì)的方 法提高了定子磁鏈的估計(jì)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(xué)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(dá)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(dòng)、輸入電流和輸出電壓正弦、無需儲能 原件、任何負(fù)載下可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行的顯著優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(shí)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(jī)、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(dòng)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(jì)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)觀測；
[0014] 所述驅(qū)動(dòng)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(dòng)信 號之間實(shí)現(xiàn)光耦隔離。
[0015] 所述的主控單元包括坐標(biāo)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(gè)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(jī)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(jì)算得到電壓的幅值和相位，并據(jù)此進(jìn)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(jī)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(jī)的輸入側(cè)，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進(jìn)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(xiàng)】
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(jī)、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(dòng)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(jì)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)觀測； 所述驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號之 間實(shí)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(biāo)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(gè) 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(jī)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(jì)算得到電壓的幅值和相位，并據(jù)此進(jìn)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(jī)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(jī)的輸入側(cè)，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進(jìn)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速并與設(shè)定值進(jìn)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(gè)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(jī)、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(jī)電壓檢測單元、電機(jī)電流檢測單元、驅(qū)動(dòng)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(jì)值；確定轉(zhuǎn)矩參考值；轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估計(jì)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(jì)算得到電壓的幅值和相位并進(jìn)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(qiáng), 張海清
【申請人】上海電力學(xué)院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月12日