矩陣變換器—永磁同步電機無傳感器控制系統的研究

潘寶安

PAN Bao-an

（臨沂職業學院, 臨沂 276000 ）

0 引言

矩陣變換器是一種新型交-交電力變換器，與傳統的交-直-交變頻器相比，具有很多優點，例如矩陣變換器輸入功率因數可調，能量可雙向流動，無直流環節儲能元件，輸入輸出波形良好。如今，針對矩陣變換器進行了很多研究，如用于變頻調速系統[1]，風力發電系統[2]，航空宇航系統[3],車輛牽引系統[4]等。其中變頻調速系統是研究的熱點，目前已經有基于矩陣變換器的磁場定向控制[5]和直接轉矩控制[6]方面的研究。

1 間接式矩陣變換器

矩陣變換器可分為直接式矩陣變換器和間接式矩陣變換器。間接式矩陣變換器的結構如圖1所示。

圖1 間接式矩陣變換器的結構

類似于傳統交-直-交變頻器，間接式矩陣變換器包含整流側和逆變側，因此可分別對整流側和逆變側進行調制。但間接式矩陣變換器無中間直流環節儲能元件。

1.1 整流側的PWM調制

如圖2所示，將三相輸入電壓劃分為6個扇區，在每個扇區中，總有一相電壓絕對值最大，另外兩相電壓與之反相。這樣劃分的目的是為了獲取最大的直流電壓。例如在第1扇區，ua為正，且絕對值最大，ub,uc為負。此時占空比計算為

θa,θb,θc輸入相電壓的相角。其他五個扇區與第1扇區的計算方法相同。

圖2 輸入電壓扇區劃分

1.2 逆變側的SVPWM調制

如圖3所示，根據逆變側開關狀態的不同，將輸出電壓也劃分為六個扇區。1代表上橋臂導通，下橋臂關斷，0則相反。因此，共包含6個有效矢量(U1～ U6)和2個零矢量(U0和U7)。當期望輸出

Uref 時

圖3 輸出電壓扇區

Un和Um為Uref所在扇區內的兩個相鄰矢量，U0為零矢量 (000或111). 占空比計算為

mV為逆變側調制系數，0 ≤ mV≤1。

2 矩陣變換器—永磁同步電機控制系統

永磁同步電機具有較高的功率密度，較高的效率，快速動態響應，且轉速與頻率嚴格呈正比，因此常用于需要較高精度的伺服系統中。

在永磁同步電機的控制系統中，矢量控制可獲得快速的速度響應和較好的轉矩性能[7]，因此本文采用矢量控制。上一部分矩陣變換器的逆變側的SVPWM調制即針對于永磁同步電機的矢量控制。

矢量控制系統如圖4所示，其中的速度估算將在下一部分進行介紹。首先，三相定子電流被變換為dq旋轉坐標系下的解耦量，包括磁通分量(id)和轉矩分量(iq)。系統中包含三個PI控制器，其中一個外環控制器用于調節轉速，另外兩個內環控制器用于分別調節id和iq。系統采用id=0控制方式，這旨在獲得最大轉矩控制。

圖4 矩陣變換器—永磁同步電機矢量控制系統

3 無傳感器控制系統

為了獲得閉環控制和磁場定向，需要檢測電機的轉速[8]。然而，速度傳感器的引入增大了系統的體積，提高了成本，并且限制了在惡劣環境中的應用。由永磁同步電機本身的模型，可以通過檢測電機的電壓和電流推算出轉速，而不使用傳感器，這就是無傳感器技術。估算轉速的方法有很多，本文采用模型參考自適應系統。

模型參考自適應系統就是將不含估算參數的方程作為參考模型，將含有待估參數的方程作為可調模型，通過比較兩個模型，當其差值為零時，即認為可調模型中的待估參數為實際值。

在旋轉dq坐標系中，永磁同步電機的數學方程為

將定子電流作為變量

u 'q=uq,由(5)得

其中

式(6)包含轉子速度信息，將其作為參考模型。ωr為待估參數，令估算值，則

式(6)變為

如果式(7)與實際值相同，則式(7)即為電機的精確模型。通過PI調節，估算轉速可表示為

其中

通過PI調節，誤差信號εω產生估算轉速 ωr

^。迫使估算的定子電流 i 's^逼近實際定子電流i's，ω^即此時估算轉速逼近實際轉速。基于模型參考

r自適應系統的轉速估算如圖5所示。轉子位置可由估算轉速積分求得。

4 仿真分析

設仿真參數如下所示：

三相輸入: 220V, 50Hz

定子電阻: 0.9585Ω

定子電感:Ld=Lq=5.25mH

永磁體磁通: 0.1827Wb

轉動慣量: 0.0006329 kg●m2

摩擦因數: 0.0003035 N m s

極對數: 4

1）系統仿真結果

設開始時給定轉速為200rpm，0.2s時突變為300rpm，負載轉矩為1 N.m，仿真波形如圖6所示。

圖6 轉速突變時的仿真波形

圖6表明間接式矩陣變換器—永磁同步電機系統可以很好地跟蹤指令轉速的變化。

2）無傳感器控制系統的仿真

設開始時給定轉速為200rpm，0.2s時突變為300rpm，負載轉矩為1 N.m，仿真波形如圖7所示。

圖7 無傳感器控制系統的仿真

圖7表明設計的無傳感器控制系統可以很好地進行轉速估算，并可用估算的轉速代替實際的轉速，實現了無傳感器控制，降低了成本，縮小了體積，提高了可靠性。

5 結論

通過仿真結果可得，矩陣變換器是一種優越的電力變換器，可用作永磁同步電機的供電電源，具有良好的指令轉速跟蹤性能。提出的無傳感器控制技術可應用于此系統，實現了轉速估算和無傳感器控制，降低了成本，縮小了體積，提高了系統可靠性。

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