一种直接转矩控制装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种直接转矩控制装置和方法。一种直接转矩控制装置，包括主控单元、感应电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、输入电压检测单元、电机电压检测单元、电机电流检测单元、驱动隔离电路和转速测量单元；一种直接转矩控制方法，包括：得到转矩和磁链值估计值；确定转矩参考值；转矩和磁链的估计值和参考值做滞环比较；用磁链所在扇区、转矩与磁链的状态值得到开关状态选择信号；由输入的三相电压计算得到电压的幅值和相位并进行功率因数调节；利用输入电压扇区信号、功率因数状态值及开关状态选择信号得到组合控制信号来控制矩阵变换器。与现有技术相比，本发明专利技术降低了操作的复杂度；保证电压传输比，且不对电网造成污染。

【技术实现步骤摘要】
一种直接转矩控制装置和方法
本专利技术涉及电机转矩控制领域，尤其是涉及一种直接转矩控制装置和方法。
技术介绍
直接转矩控制克服了以传统磁场定向的矢量控制中对参数敏感的缺陷，不需要将感应电机输出转矩转换成等效的电流参考值，也不需要复杂的控制器。它以转矩为中心，以定子磁场定向的方式实现综合控制，避免了矢量控制的复杂坐标变换与电机模型的数学处理，直接在电机定子坐标上计算磁链和转矩的大小，实现定子磁链和电磁转矩的双闭环控制，能够获得实时快速的控制效果。但常规的直接转矩控制(DTC)系统采用PI控制器来实现转速的控制，虽然具有结构简单、控制方法易实现的优点，但不能解决稳定性和快速性之间的矛盾，需要根据不同的控制对象来调节控制器的参数，这给调试过程增加了难度。所以改善控制器性能对于电机直接转矩的工程应用具有很重要的实际意义。国内外对此采取了一系列改进措施：Satish和Mohapatra等人于2009年在论文“DynamicperformanceofamatrixconverterfedspeedsensorlessDTCinductionmotordriveusingadaptivespeedobserver.IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition.”中提出了自适应速度观测器有效的改善了系统的动态性能，但其参数自适应律选择困难，无法准确的对电机速度进行辨识；文献“一种新颖的无传感器异步电动机直接转矩控制系统”将低通滤波器与PLL锁相环相结合进行磁链估计的方法提高了定子磁链的估计精度，使定子电阻具有良好的鲁棒性，但其稳定性受锁相环的输入相位差影响较大；潘月斗和徐杰等人于2013年在论文“ESO在直接转矩控制矩阵变换器中的应用及稳定性分析”中引入的自抗扰控制器(ADRC)，其不依赖控制对象的数学模型，处理具有非线性和不确定性的控制系统有很好的效果，但具有参数多，整定复杂，需要反复试凑，难以达到理想控制效果的缺陷。此外，在DTC系统中，一般还需采用电压源逆变器，与之相比，近年发展起来的新兴“绿色”变频器—矩阵变换器具有能量可双向流动、输入电流和输出电压正弦、无需储能原件、任何负载下可实现单位功率因数运行的显著优点，它有逐步取代传统变换器的趋势。但常规矩阵变换器(MC)的电压传输比较低，难以满足感应电机的电压要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简化控制、提高电压传输比的直接转矩控制装置和方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种直接转矩控制装置，其特征在于，包括主控单元、感应电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、驱动隔离电路和转速测量单元；所述输入滤波器串联于矩阵变换器的输入端；所述输出滤波器并联与矩阵变换器的输出端；所述主控单元分别与输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、转速测量单元分别连接，并根据其采集的数据计算输出矩阵变换器的控制信号；所述输入电压检测单元用于检测矩阵变换器输入电压的幅值与相角；所述定子电压检测单元与定子电流检测单元分别检测电机定子的电压、电流的幅值与相角；所述转速测量单元用于对电机转速的实时观测；所述驱动隔离电路连接在主控单元和矩阵变换器之间，用于在控制信号与驱动信号之间实现光耦隔离。所述的主控单元包括坐标变换电路、自抗扰控制器、磁链与转矩的估算电路和滞环调节电路、磁链扇区判断电路、输入电压扇区判断电路、功率因数滞环调节电路和开关组合控制电路。所述的自抗扰控制器采用简化参数形式的自抗扰控制器。所述的主控单元中磁链滞环调节电路具体为二阶磁链滞环比较器和三阶转矩滞环比较器；所述二阶磁链滞环比较器将磁链估算值与磁链参考值比较，所述磁链估算值由磁链估算电路依据定子电压和电流估算得出，所述磁链参考值为预设值；所述三阶转矩滞环比较器将转矩估算值与转矩参考值比较，所述转矩估算值由转矩估算电路依据定子电压和电流估算得出，所述转矩参考值为所述自抗扰控制器的输出。所述的矩阵变换器为基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器，即将三相boost型斩波器中的三个功率管用3×3矩阵变换器替代。一种直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集并利用感应电机定子电压电流值得出转矩和磁链值的估算值；(2)调节确定转矩的参考值；(3)将转矩和磁链的估算值和参考值作滞环比较并分别得到转矩和磁链的状态值；(4)利用定子磁链所在扇区以及转矩与磁链的状态值得到定子电压矢量；(5)由矩阵变换器的输入三相电压的计算得到电压的幅值和相位，并据此进行功率因数调节得到功率因数的状态值；(6)利用输入电压扇区信号、步骤(5)得到的功率因数的状态值以及步骤(4)得到的定子电压矢量得到组合控制信号，以此来控制矩阵变换器。根据权利要求6所述的一种直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中采集并利用感应电机定子电压电流值得出转矩和磁链值的估算值具体为，在感应电机的输入侧，检测检测定子电压与定子电流，并对其进行3/2变换，据此求出输出电压的幅值、相位后估算出定子磁链和转矩：式中：Rs为定子电阻；Ψsα、Ψsβ分别为定子α轴、β轴磁链；isα、isβ分别为定子α轴、β轴的电流分量；Pn为电机极对数；Lm为定子互感；Te为电磁转矩。所述步骤(2)中调节确定转矩参考值具体为检测电机转速并与设定值进行比较，比较结果作为自抗扰控制器的输入，由此得到的输出为转矩的参考值；所述步骤(6)中矩阵变换器为基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器，即将三相boost型斩波器中的三个功率管用3×3矩阵变换器替代。所述步骤(6)中的组合控制信号包括开关状态信号和开关次序信号。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.采用简化参数型自抗扰控制器，在保证对电机的非线性和不确定性参数有很好的控制效果的同时，简化了控制器参数，大大降低了操作的复杂度。2.采用基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器，有效的提高了电压传输比，改善了矩阵变换器的传输性能，在保证具有高电压传输比的同时，不对电网造成污染及确保电机与电网之间能量可以双向流动，附图说明图1为本专利技术的基于自抗扰控制器和矩阵变换器的电机直接转矩控制系统框图。图2为本专利技术的基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器的主电路结构图；图3为图2中A部分放大图；图4为本专利技术的基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器控制策略示意图，其中tS为导通时间，tL为关断时间，Tseq为开关周期，udjA、udjB、udjC分别为三相调制波信号，ur为载波信号，sjA、sjB、sjC及sL为开关信号；图5为本专利技术的基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器输出电压电流波形图；图6为本专利技术的基于自抗扰控制器和矩阵变换器的电机直接转矩控制定子磁链波形图；图7、图8分别为本专利技术的基于自抗扰控制器和矩阵变换器的电机直接转矩控制系统在转速设定为：在0.35s时由初始值500rad/s下降为200rad/s；转矩设定为：初始值为0，在0.5s时上升为15N·m，在0.9s时又回到0值时的转速波形图和转矩波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接转矩控制装置，其特征在于，包括主控单元、感应电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、驱动隔离电路和转速测量单元；所述输入滤波器串联于矩阵变换器的输入端；所述输出滤波器并联与矩阵变换器的输出端；所述主控单元分别与输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、转速测量单元分别连接，并根据其采集的数据计算输出矩阵变换器的控制信号；所述输入电压检测单元用于检测矩阵变换器输入电压的幅值与相角；所述定子电压检测单元与定子电流检测单元分别检测电机定子的电压、电流的幅值与相角；所述转速测量单元用于对电机转速的实时观测；所述驱动隔离电路连接在主控单元和矩阵变换器之间，用于在控制信号与驱动信号之间实现光耦隔离。

【技术特征摘要】
1.一种直接转矩控制装置，其特征在于，包括主控单元、感应电机、输入滤波器、矩阵变换器、输出滤波器、输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、驱动隔离电路和转速测量单元；所述输入滤波器串联于矩阵变换器的输入端；所述输出滤波器并联于矩阵变换器的输出端；所述主控单元分别与输入电压检测单元、定子电压检测单元、定子电流检测单元、转速测量单元分别连接，并根据其采集的数据计算输出矩阵变换器的控制信号；所述输入电压检测单元用于检测矩阵变换器输入电压的幅值与相角；所述定子电压检测单元与定子电流检测单元分别检测电机定子的电压、电流的幅值与相角；所述转速测量单元用于对电机转速的实时观测；所述驱动隔离电路连接在主控单元和矩阵变换器之间，用于在控制信号与驱动信号之间实现光耦隔离；所述的矩阵变换器为基于三相boost型交流斩波器的矩阵变换器，即将三相boost型交流斩波器中的三个功率管用3×3矩阵变换器替代。2.根据权利要求1所述的一种直接转矩控制装置，其特征在于，所述的主控单元包括坐标变换电路、自抗扰控制器、磁链估算电路、转矩估算电路、磁链滞环调节电路、磁链扇区判断电路、输入电压扇区判断电路、功率因数滞环调节电路和开关组合控制电路。3.根据权利要求2所述的一种直接转矩控制装置，其特征在于，所述的自抗扰控制器采用简化参数形式的自抗扰控制器。4.根据权利要求3所述的一种直接转矩控制装置，其特征在于，所述的主控单元中磁链滞环调节电路具体包括二阶磁链滞环比较器和三阶转矩滞环比较器；所述二阶磁链滞环比较器将磁链估算值与磁链参考值比较，所述磁链估算值由磁链估算电路依据定子电压和电流估算得出，所述磁链参考值为预设值；所述三阶转矩滞环比较器将转矩估算值与转矩参考值比较，所述转矩估算值由转矩估算电路依据定子电压和电流估算得出，所述转矩参考值为所述自抗扰控制器的输出。5.一种直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集并利用感应电机定子电压电流值得出转矩和磁链的估算值；(2)调节确定转矩的参考值...

【专利技术属性】
技术研发人员：程启明，黄伟，郭凯，徐聪，张强，张海清，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31