采用MRAS 速度觀測器的異步電機無電壓傳感器DTC 研究*

李 瀛，胡立坤，梁冰紅

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004)

0 引 言

直接轉矩控制(direct torque control，DTC)電機是一種動態的、高性能的變壓變頻調速技術，利用轉矩反饋直接控制電機的電磁轉矩，控制方法簡單，轉矩響應迅速［1，2］。

傳感器在電力系統中應用極其廣泛，在電機的閉環控制中，采用電壓傳感器和電流傳感器分別采集電機的電壓和電流信號，然而定子電壓存在脈動，達不到采樣頻率時，傳感器采集的電壓會出現失真，嚴重影響了電機的調速性能。調速系統中一般用編碼器采集電機的轉速，但編碼器會增加系統成本，檢測誤差降低系統可靠性和魯棒性。針對這些問題，許多專家和學者開始研究無電壓傳感器和無速度傳感器控制，取得了良好的控制效果［3～5］，但在電機控制中應用卻較少［6］。

基于以上的問題，本文提出了帶模型參考自適應系統(MRAS)速度觀測器的無電壓傳感器控制策略。通過逆變器的導通狀態和直流側電壓估算三相定子電壓，達到節省電壓傳感器的目的。基于轉子磁鏈MRAS 設計速度觀測器，能得到精確的反饋轉速。最后，通過dSPACE DS1104，QUANSER8(Q8)搭建硬件在回路平臺進行實驗，驗證了所提策略的可行性和其具有的良好性能。

1 改進型異步電機DTC

DTC 無需對電流進行解耦，根據電磁轉矩和定子磁鏈幅值的偏差，加上定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，達到減少電磁轉矩和定子磁鏈幅值的偏差，實現定子磁鏈和轉矩的直接控制。

本文采用MRAS 速度觀測器代替編碼器估算電機轉速，通過PWM 逆變器導通狀態和直流側電壓估算三相定子電壓，則改進后的異步電機DTC 系統框圖如圖1 所示。

2 無電壓傳感器控制

逆變器主電路如圖2 所示［7］。

圖1 改進型DTC 系統結構框圖Fig 1 Structural block diagram of improved DTC system

圖2 逆變器結構Fig 2 Structure of converter

從中可以看出，由于電機與逆變器相連，定子電壓與逆變器相電壓相等。因此，電機三相定子電壓和αβ 坐標系下的電壓為

其中，udc為逆變器直流側電壓，Sa為逆變器三相橋臂開關函數，Sa，b，c=1 表示上橋臂導通，下橋臂關斷;Sa，b，c=0表示下橋臂導通，上橋臂關斷。由式(1)、式(2)可得到電機三相定子電壓和αβ 坐標系下的電壓，省去了電壓傳感器。

3 MRAS 無速度傳感器

模型參考自適應是一種閉環估計方法［8］。轉子磁鏈MRAS 速度觀測器主要包括參考模型和可調模型，參考模型不含轉速信息，而可調模型含轉速信息，兩模型的輸出產生誤差信號并反饋到自適應機制，不斷地調節可調模型直到兩模型輸出誤差為0，此時即可得到準確的估計轉速。轉子磁鏈MRAS 速度觀測器結構框圖如圖3 所示。

圖3 轉子磁鏈MRAS 速度觀測器結構框圖Fig 3 Structural block diagram of rotor flux MRAS speed observer

如圖3，參考模型通常稱為電壓模型，是一個定子方程。在靜止參考坐標系下，由定子電壓和電流得到參考模型的轉子磁鏈分量

可調模型通常稱為電流模型，是一個轉子方程。由定子電流和轉子轉速得到估計的轉子磁鏈分量

4 實驗結果

dSPACE 實時仿真系統是一種基于Matlab/Simulink 的控制系統開發和半實物仿真的軟硬件工作平臺，分別有8 路A/D 和D/A，可直接輸出三相PWM 控制脈沖。本實驗采用一種4 kW 三相異步電機，采樣頻率50 kHz，開關頻率5 kHz，死區時間5 μs。

給定轉速由100 r/min 升到500 r/min，給定定子磁鏈為0.53 Wb，電機空載運行。MRAS 無速度傳感器和編碼器采集轉速的對比實驗結果如圖4 所示。

圖4 MRAS 無速度傳感器估計的轉速Fig 4 Estimated rotating speed of MRAS speed sensorless

由式(8)和式(9)產生誤差信號并通過自適應機制減小參考轉子磁鏈和估計轉子磁鏈間的誤差信號，傳統的自適應機制本質就是一個PI 控制器，由其產生的估計轉速反饋到可調模型，誤差信號和估計轉速表示為

從圖中可以看出:MRAS 速度觀測器能精確地估計轉速，電機轉速從低速到高速的過程中估計都較為準確，和編碼器采回來的轉速相一致，且估計的轉速較為平穩，但觀測器和編碼器均存在延遲，事實上，觀測器和編碼器一定會有時間上的延遲。升速過程中，電機的電磁轉矩和定子磁鏈如圖5 所示。

圖5 調速系統的實驗結果Fig 5 Experimental results of speed regulating system

從圖5 可以看出:當電機速度發生變化時，轉速、轉矩能迅速響應，調速性能良好。圖5(a)為電機的電磁轉矩，可以看出:在電機給定速度變為500 r/min 時，轉矩瞬間達到大約8 N·m 左右，而后快速下降，轉矩脈動不大。圖5(b)為定子磁鏈，在轉速變化過程中，其值一直為給定磁鏈0.53 Wb，磁鏈波動很小，控制較好。

5 結 論

本文提出了帶有MRAS 速度觀測器的無電壓傳感器DTC 策略，基于異步電機數學模型得到轉子磁鏈的兩種模型——參考模型和可調模型，觀測器能精確地估計轉速，可代替編碼器實現無速度傳感器調節控制，提高了系統的魯棒性和應用性。進而又根據逆變器的導通狀態和直流側電壓估算三相定子電壓，省略了電壓傳感器，節省了系統的成本。實驗驗證了這兩種控制方法的可行性，實驗過程中電機穩定運行，控制精度高，電機調速性能得到良好的改善。參考文獻:

［1］ Che Changjin，Qu Yongyin.Research on drive technology and control strategy of electric vehicle based on SVPWMDTC［C］∥2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer，2011:44－49.

［2］ Eleftheria S Sergaki，Stavros D Moustaizis.Efficiency optimization of a direct torque controlled induction motor used in hybrid electric vehicles［C］∥2011 Electromotion Joint Conference，2011:398－403.

［3］ 趙仁德，賀益康.PWM 整流器虛擬電網磁鏈定向矢量控制仿真研究［J］.電力系統及其自動化學報，2005，17(5):94－98.

［4］ Suul J A，Luna A，Undeland T.Virtual－flux－based voltage－sensorless power control for unbalanced grid conditions［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(9):4071－4087.

［5］ Schauder C.Adaptive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers［J］.IEEE Trans on Industry Applications，1992，28(5):1054－1061.

［6］ Wang Gaolin，Xu Dianguo，Yu Yong，et al.Improved rotor flux estimation based on voltage model for sensorless field－oriented controlled induction motor drives［C］∥Power Electronics Specialists Conference，Rhodes，2008:1887－1890.

［7］ 朱 緋，盧子廣，胡立坤，等.異步電機無交流電壓傳感器自然坐標控制［J］.電力電子技術，2014，48(1):91－92.

［8］ Shady M Gadoue，Damian Giaouris.Performance evaluation of a sensorless induction motor drive at very low and zero speed using a MRAS speed observer［C］∥2008 IEEE Region 10 Colloquium and the Third International Conference on Industrial and Information Systems，2008:1－6.