一種直接轉矩控制裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機轉矩控制領域，尤其是涉及一種直接轉矩控制裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 直接轉矩控制克服了以傳統磁場定向的矢量控制中對參數敏感的缺陷，不需要將 感應電機輸出轉矩轉換成等效的電流參考值，也不需要復雜的控制器。它以轉矩為中心，以 定子磁場定向的方式實現綜合控制，避免了矢量控制的復雜坐標變換與電機模型的數學處 理，直接在電機定子坐標上計算磁鏈和轉矩的大小，實現定子磁鏈和電磁轉矩的雙閉環控 制，能夠獲得實時快速的控制效果。但常規的直接轉矩控制（DTC)系統采用PI控制器來實 現轉速的控制，雖然具有結構簡單、控制方法易實現的優點，但不能解決穩定性和快速性之 間的矛盾，需要根據不同的控制對象來調節控制器的參數，這給調試過程增加了難度。所以 改善控制器性能對于電機直接轉矩的工程應用具有很重要的實際意義。
[0003] 國內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. "中提出了自適應速度觀測器有效的改善了系統的動態性 能，但其參數自適應律選擇困難，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矩控制系統"將低通濾波器與PLL鎖相環相結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，但其穩定性受鎖相環的輸 入相位差影響較大；潘月斗和徐杰等人于2013年在論文"ES0在直接轉矩控制矩陣變換器 中的應用及穩定性分析"中引入的自抗擾控制器（ADRC)，其不依賴控制對象的數學模型，處 理具有非線性和不確定性的控制系統有很好的效果，但具有參數多，整定復雜，需要反復試 湊，難以達到理想控制效果的缺陷。
[0004] 此外，在DTC系統中，一般還需采用電壓源逆變器，與之相比，近年發展起來的新 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、任何負載下可實現單位功率因數運行的顯著優點，它有逐步取代傳統變換器的趨勢。 但常規矩陣變換器（MC)的電壓傳輸比較低，難以滿足感應電機的電壓要求。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術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矩控制裝置和方法。
[0006] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0007] 一種直接轉矩控制裝置，其特征在于，包括主控單元、感應電機、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、驅動隔離 電路和轉速測量單元；
[0008] 所述輸入濾波器串聯于矩陣變換器的輸入端；
[0009] 所述輸出濾波器并聯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、 轉速測量單元分別連接，并根據其采集的數據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] 所述轉速測量單元用于對電機轉速的實時觀測；
[0014] 所述驅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動信 號之間實現光耦隔離。
[0015] 所述的主控單元包括坐標變換電路、自抗擾控制器、磁鏈與轉矩的估算電路和滯 環調節電路、磁鏈扇區判斷電路、輸入電壓扇區判斷電路、功率因數滯環調節電路和開關組 合控制電路。
[0016] 所述的自抗擾控制器采用簡化參數形式的自抗擾控制器。
[0017] 所述的主控單元中磁鏈滯環調節電路具體為二階磁鏈滯環比較器和三階轉矩滯 環比較器；
[0018] 所述二階磁鏈滯環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 鏈估算電路依據定子電壓和電流估算得出，所述磁鏈參考值為預設值；
[0019] 所述三階轉矩滯環比較器將轉矩估算值與轉矩參考值比較，所述轉矩估算值由轉 矩估算電路依據定子電壓和電流估算得出，所述轉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)采集并利用感應電機定子電壓電流值得出轉矩和磁鏈值的估算值；
[0023] (2)調節確定轉矩的參考值；
[0024] (3)將轉矩和磁鏈的估算值和參考值作滯環比較并分別得到轉矩和磁鏈的狀態 值；
[0025] (4)利用定子磁鏈所在扇區以及轉矩與磁鏈的狀態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，并據此進行功 率因數調節得到功率因數的狀態值；
[0027] (6)利用輸入電壓扇區信號、步驟（5)得到的功率因數的狀態值以及步驟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] 根據權利要求6所述的一種直接轉矩控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中采集 并利用感應電機定子電壓電流值得出轉矩和磁鏈值的估算值具體為，
[0029] 在感應電機的輸入側，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進行3/2變換，據此 求出輸出電壓的幅值、相位后估算出定子磁鏈和轉矩：
【主權項】
1. 一種直接轉矩控制裝置，其特征在于，包括主控單元、感應電機、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、驅動隔離電 路和轉速測量單元； 所述輸入濾波器串聯于矩陣變換器的輸入端； 所述輸出濾波器并聯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、轉速 測量單元分別連接，并根據其采集的數據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； 所述轉速測量單元用于對電機轉速的實時觀測； 所述驅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動信號之 間實現光耦隔離。
2. 根據權利要求1所述的一種直接轉矩控制裝置，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、磁鏈與轉矩的估算電路和滯環調節電路、磁鏈扇區判斷電 路、輸入電壓扇區判斷電路、功率因數滯環調節電路和開關組合控制電路。
3. 根據權利要求2所述的一種直接轉矩控制裝置，其特征在于，所述的自抗擾控制器 采用簡化參數形式的自抗擾控制器。
4. 根據權利要求3所述的一種直接轉矩控制裝置，其特征在于，所述的主控單元中磁 鏈滯環調節電路具體為二階磁鏈滯環比較器和三階轉矩滯環比較器； 所述二階磁鏈滯環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 算電路依據定子電壓和電流估算得出，所述磁鏈參考值為預設值； 所述三階轉矩滯環比較器將轉矩估算值與轉矩參考值比較，所述轉矩估算值由轉矩估 算電路依據定子電壓和電流估算得出，所述轉矩參考值為所述自抗擾控制器的輸出。
5. 根據權利要求1-4中任意所述的一種直接轉矩控制裝置，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. -種直接轉矩控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 采集并利用感應電機定子電壓電流值得出轉矩和磁鏈值的估算值； (2) 調節確定轉矩的參考值； (3) 將轉矩和磁鏈的估算值和參考值作滯環比較并分別得到轉矩和磁鏈的狀態值； (4) 利用定子磁鏈所在扇區以及轉矩與磁鏈的狀態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，并據此進行功率因 數調節得到功率因數的狀態值； (6) 利用輸入電壓扇區信號、步驟（5)得到的功率因數的狀態值以及步驟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. 根據權利要求6所述的一種直接轉矩控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中采集并 利用感應電機定子電壓電流值得出轉矩和磁鏈值的估算值具體為， 在感應電機的輸入側，檢測檢測定子電壓與定子電流，并對其進行3/2變換，據此求出 輸出電壓的幅值、相位后估算出定子磁鏈和轉矩：
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；Lm為定子互感；Te為電磁轉矩。
8. 根據權利要求7所述的一種直接轉矩控制方法，其特征在于，所述步驟（2)中調節確 定轉矩參考值具體為檢測電機轉速并與設定值進行比較，比較結果作為自抗擾控制器的輸 入，由此得到的輸出為轉矩的參考值。
9. 根據權利要求6-8中任意所述的一種直接轉矩控制方法，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. 根據權利要求6中任意所述的一種直接轉矩控制方法，其特征在于，所述步驟（6) 中的組合控制信號包括開關狀態信號和開關次序信號。
【專利摘要】本發明涉及一種直接轉矩控制裝置和方法。一種直接轉矩控制裝置，包括主控單元、感應電機、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、驅動隔離電路和轉速測量單元；一種直接轉矩控制方法，包括：得到轉矩和磁鏈值估計值；確定轉矩參考值；轉矩和磁鏈的估計值和參考值做滯環比較；用磁鏈所在扇區、轉矩與磁鏈的狀態值得到開關狀態選擇信號；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調節；利用輸入電壓扇區信號、功率因數狀態值及開關狀態選擇信號得到組合控制信號來控制矩陣變換器。與現有技術相比，本發明降低了操作的復雜度；保證電壓傳輸比，且不對電網造成污染。
【IPC分類】H02P21-13, H02P21-14, H02P27-12
【公開號】CN104579091
【申請號】CN201510014373
【發明人】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