多電平變頻器無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制
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1 引言
目前，中高壓變頻器的產(chǎn)品中，電機調(diào)速控制策略多采用V/F控制或矢量控制（又稱磁場定向控制），而直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)方面的研究與應(yīng)用較少，實現(xiàn)難度較大。主要原因之一在于多電平拓撲的開關(guān)管數(shù)目眾多，造成傳統(tǒng)DTC所需要的開關(guān)向量表非常復(fù)雜。另外，傳統(tǒng)DTC采用滯環(huán)比較器，逆變器開關(guān)頻率不固定，難以數(shù)字實現(xiàn)，生成多電平波形較為困難，電流、轉(zhuǎn)矩脈動較大。
實現(xiàn)DTC等高性能調(diào)速策略需要檢測電機的轉(zhuǎn)速，但速度傳感器的安裝增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和維護要求，降低了可靠性和魯棒性。
2 多電平直接轉(zhuǎn)矩控制的難點
傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用磁鏈與轉(zhuǎn)矩的砰—砰控制，根據(jù)它們的變化與定子磁鏈所在的空間位置直接選擇電壓空間矢量的開關(guān)狀態(tài)，獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)[2]。但是其實際轉(zhuǎn)矩在滯環(huán)比較器的上下限內(nèi)脈動，開關(guān)頻率也不固定。一種改進方案是將空間矢量調(diào)制（SVM）方法與DTC相組合，對轉(zhuǎn)矩進行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，以電壓空間矢量調(diào)制模塊取代開關(guān)向量表，產(chǎn)生PWM波控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，可使開關(guān)頻率恒定，轉(zhuǎn)矩脈動也大幅減小[3]。
然而，在多電平領(lǐng)域，逆變器的基本空間矢量數(shù)目眾多，對于每相n個H橋級聯(lián)單元即 級級聯(lián)的多電平逆變器，其基本空間矢量數(shù)目為(2n+1) 3個。每相3單元的高壓變頻器基本空間矢量多達343個，而對于每相6單元的高壓變頻器，這個數(shù)目達到了2197個。如此繁多的基本空間矢量使空間矢量選擇算法變得非常復(fù)雜。另外，空間矢量的選擇要考慮功率單元的開關(guān)負荷均衡，這就對算法提出了更高的要求。因此，在電平數(shù)較多的情況下，空間矢量算法實現(xiàn)困難，也難以滿足實時控制的要求[4]。
為克服上述問題，在級聯(lián)多電平中采用錯時采樣空間矢量調(diào)制（Sampe-Time-Staggered Space Vector Modulation，簡稱STS-SVM）策略，能大大降低空間矢量選擇的復(fù)雜度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)負荷的自動均衡，執(zhí)行效率高，易于實現(xiàn)無速度傳感器DTC等高性能實時控制。
3 錯時采樣SVM策略
圖3 基于STS-SVM的無速度傳感器DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.1 STS-SVM調(diào)制的多電平逆變器
此處，多電平逆變器為圖4（a）所示的三級H橋級聯(lián)型拓撲。STS-SVM模型中的驅(qū)動信號的產(chǎn)生通過兩電平空間矢量算法得出的調(diào)制波與各個開關(guān)管對應(yīng)的三角波進行比較來獲得，如圖4（b）所示。各個三角載波存在一定的移相關(guān)系，這樣就等效地實現(xiàn)了采樣周期的相互錯開。
(a) 三級級聯(lián)多電平逆變器主電路
(b)STS-SVM驅(qū)動信號產(chǎn)生單元
圖4 級聯(lián)多電平主電路與PWM產(chǎn)生單元
4.2 磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測
定子磁鏈的估計大體上可以分為三種模型，即u-i模型，i-n模型，u-n模型。其中u-i模型中磁鏈表達式為
（1）
其中，，us，is，Rs分別為定子磁鏈、電壓、電流值與定子電阻值，可見，u-i模型觀測定子磁鏈無需轉(zhuǎn)速信息，唯一所需了解的電動機參數(shù)是定子電阻Rs，因此十分適合在此處應(yīng)用。
（2）
其中，Pn為電機的極對數(shù)。
在Matlab/Simulink中建立磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測的模型，如圖5所示。
圖5 定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩觀測模型
4.3 速度估計
基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System，MRAS）的轉(zhuǎn)速辨識實現(xiàn)較為方便，且具有對轉(zhuǎn)子電阻變化的完全不敏感性，電機參數(shù)變化對轉(zhuǎn)速估算的影響也較小。轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型與電機轉(zhuǎn)速無關(guān)，而轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型作為參考模型，而選擇轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型作為可調(diào)模型[7]。
由于在磁鏈觀測中已經(jīng)估算出定子磁鏈，因此參考模型可以用定子磁鏈表示：
（3）
其中，
為轉(zhuǎn)子磁鏈，Lm為定轉(zhuǎn)子互感， Lr為轉(zhuǎn)子電感，
為定子瞬時電感， Ls為定子電感。
可調(diào)模型為：
（4）
其中Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，
為轉(zhuǎn)子角速度。
圖6 利用轉(zhuǎn)子磁鏈估計轉(zhuǎn)速的MRAS方案
圖7 轉(zhuǎn)速估計模型
定義廣義狀態(tài)誤差
，利用Popov超穩(wěn)定準則可推導(dǎo)出自適應(yīng)率形式為：
?。?）
其中，Kp、Ki分別為比例和積分系數(shù)， 是取之于的誤差信息，
（6）
由式（6）可以看出，磁鏈誤差信息比例于轉(zhuǎn)子磁鏈矢量 和 之間的角偏差αr， 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器可產(chǎn)生速度信號
，這個調(diào)整信號會使可調(diào)模型估計的
與參考模型的
趨于一致，令轉(zhuǎn)子磁鏈誤差 能夠收斂于零，也就會使轉(zhuǎn)速估計值
逐步逼近于真實值，其原理如圖6所示。圖7為利用轉(zhuǎn)子磁鏈估計轉(zhuǎn)速的MRAS的Matlab/Si mulink模型。
5 仿真結(jié)果及分析
在Matlab/Simulink中建立了整個系統(tǒng)的仿真模型。其中，電機模型采用軟件自帶的兩級三相異步感應(yīng)電機模型，參數(shù)為：額定功率PN =3730W，額定線電壓UN =380V，額定頻率fN =50Hz，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.083Ω，定子電阻Rs=1.115Ω，定子、轉(zhuǎn)子電感Ls= Lr=0.2097H，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.2037H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.02kgg㎡。逆變器每級直流電源電壓為104V，采樣周期Ts=952μs。
仿真中，給定轉(zhuǎn)速
，電機空載啟動，在0.3s處突加6Ngm的負載。各個變量的仿真波形如圖8所示。
(a)辨識轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速
（b）轉(zhuǎn)矩動態(tài)相應(yīng)
?。╟）定子磁鏈 （d）電流
?。╡）相電壓
（f）線電壓
圖8 系統(tǒng)仿真波形
由仿真波形可以看出，電機啟動后0.2s，系統(tǒng)基本進入穩(wěn)定狀態(tài)；辨識轉(zhuǎn)速能較好地估計與跟蹤實際轉(zhuǎn)速；相電壓輸出7電平；線電壓輸出13電平；電流波形良好；穩(wěn)態(tài)時磁鏈與轉(zhuǎn)矩脈動都比較小；啟動過程中定子磁鏈能很快達到給定值，并保持圓形；啟動時轉(zhuǎn)矩迅速達到限幅值（23Ngm），之后逐漸回落到空載穩(wěn)定值，加載時動態(tài)響應(yīng)特性良好。
6 結(jié)論
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