基于模型參考自適應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器DTC
姬宣德
(洛陽理工學(xué)院，河南洛陽471023)
摘要：為了提高定子磁鏈的觀測精度，將閉環(huán)磁鏈觀測器用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的純積分器；在磁鏈閉環(huán)觀測器的基礎(chǔ)上，依據(jù)模型參考自適應(yīng)理論(MRAs)構(gòu)造出了速度自適應(yīng)觀測器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案成功地實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的辨識，證明了方法的可行性。
關(guān)鍵詞：模型參考自適應(yīng)；直接轉(zhuǎn)矩控制；磁鏈觀測器；速度自適應(yīng)觀測器
中圈分類號：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018f2010)os一0063—04
0引言
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能難以提高的重要原因是低速時(shí)定子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測。傳統(tǒng)的方法是采用純積分器(U-I模型)作為磁鏈觀測器，而積分器本身具有誤差積累以及直流偏移問題，尤其是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于低速時(shí)這些問題變得非常嚴(yán)重，使得定子磁鏈在低轉(zhuǎn)速下的觀測變得不準(zhǔn)確，從而使直接轉(zhuǎn)矩控系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速下的控制性能受到影響。為了滿足高性能交流傳動(dòng)的需要，對速度進(jìn)行閉環(huán)控制，而速度傳感器的安裝增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的
可靠性和魯棒性，并增加T系統(tǒng)成本和維護(hù)要求。本文利用閉環(huán)磁鏈觀測器取代傳統(tǒng)的純積分器以觀測定子磁鏈，模型參考自適應(yīng)理論(MRAS)構(gòu)造出了速度自適應(yīng)觀測器實(shí)現(xiàn)對速度的估計(jì)。最后對該無速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的正確性。
1直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理
圖1是無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工作原理圖。利用三相／兩相(3s／2s)坐標(biāo)變換把被測量
三相電壓ua、ub、uc和三相電流ia、ib、ic變換成在α、β坐標(biāo)系下的電壓uα、uβ和電流iα、iβ，通過磁鏈觀i嵩測器得到Ψα、Ψβ。由Ψα、Ψβ、iα、iβ形成轉(zhuǎn)矩模輸出反饋轉(zhuǎn)矩Te；由定子磁鏈Ψα、Ψβ形成磁鏈幅值模型輸出定子磁鏈幅值|Ψs|；利用檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩巧；把在α、β坐標(biāo)系下的磁鏈分量投影到三相定子軸線上，得到磁鏈區(qū)間識別器判斷出定子磁鏈所在的區(qū)間θ。然后利用反饋轉(zhuǎn)矩Te與給定轉(zhuǎn)矩Te比較形成轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號；與此同時(shí)，利用反饋磁鏈幅值|Ψs|與給定幅值|Ψs|比較形成磁鏈開關(guān)信號；最后根據(jù)磁鏈區(qū)間、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號和磁鏈開關(guān)信號最終決定電壓空間矢量的選擇，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。
2高性能定子磁鏈觀測器一全階磁鏈觀測器
2．1異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
以定、轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型如下[4]:
2.2全階磁鏈閉環(huán)觀測器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
通過式(1)、式(2)所描述的異步電動(dòng)機(jī)矩陣形式電機(jī)數(shù)學(xué)模型，可以構(gòu)造出同時(shí)觀測定子磁鏈和定子電流的全階磁鏈狀態(tài)觀測器，公式如下[4]：
是狀態(tài)觀測器的輸入，輸出是is，K是觀測器增益矩陣。觀測器的最后一項(xiàng)是包含觀測輸出is與電機(jī)真實(shí)輸出is的修正項(xiàng)。增益矩陣匿K起到加權(quán)矩陣的作用，用于修正觀測所得的定、轉(zhuǎn)子磁鏈狀態(tài)變量。當(dāng)觀測器模型使用的矩陣A和實(shí)際系統(tǒng)的矩陣A之間存在差異時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致觀測器輸出is與實(shí)際輸出is之間存在偏差，在此情況下，該附加的|Ψs|與給定幅值|Ψs|比較形成磁鏈開關(guān)信號；最后根據(jù)磁鏈區(qū)間、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號和磁鏈開關(guān)信號最終決定電壓空間矢量的選擇，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。
2高性能定子磁鏈觀測器一全階磁鏈觀測器
2．1異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
以定、轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型如下[4]:
2.2全階磁鏈閉環(huán)觀測器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
通過式(1)、式(2)所描述的異步電動(dòng)機(jī)矩陣形式電機(jī)數(shù)學(xué)模型，可以構(gòu)造出同時(shí)觀測定子磁鏈和定子電流的全階磁鏈狀態(tài)觀測器，公式如下[4]：
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