方召， 王帥旗

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南許昌 461000）

電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)用于各類電氣機(jī)械設(shè)備中，常見的如水泵、自動啟閉的車門、電梯升降機(jī)構(gòu)。電動機(jī)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其作用為實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、為機(jī)械機(jī)構(gòu)提供動力。同步磁阻電機(jī)造價低、功率因數(shù)高、能量利用效率高，成為制造通用性電氣傳動系統(tǒng)的重要設(shè)備，但其在實踐中也表現(xiàn)出不足。DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)可用于改進(jìn)此類電動機(jī)的啟動和運行效果，從而提升其性能。

1 通用性電氣傳動系統(tǒng)及同步磁阻電機(jī)

1.1 通用性電氣傳動系統(tǒng)的基本構(gòu)成

電氣傳動系統(tǒng)是各類電氣機(jī)械設(shè)備的核心組成部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通用性電氣傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 電源部分

電源部分直接向電動機(jī)供電，電源形式包括交流電和直流電兩種，大部分電氣機(jī)械設(shè)備使用交流電源。由于電源的電壓等級較高，用電設(shè)備的額定電壓低于供電電源，因而須設(shè)置變壓器進(jìn)行降壓操作［1］。

1.1.2 變流器

變流器用于傳遞功率，按照端電壓的差異可分為DC／DC 變流器（等效于直流變壓器）、AC／DC 變流器（可控整流裝置）、DC／AC 變流器（逆變器）以及AC／AC 變流器（變頻器）等。變流器能夠改變電源的電壓，使其滿足電氣設(shè)備的安全使用要求，還能控制電源的相數(shù)和頻率，提高電源的通用性。

1.1.3 電動機(jī)

電動機(jī)是電力傳動系統(tǒng)的動力來源，可實現(xiàn)電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換。通常以定子繞組產(chǎn)生電磁場，形成扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而帶動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。電動機(jī)可按照電源形式、磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的同步性進(jìn)行分類。

1.1.4 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)

機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將電動機(jī)產(chǎn)生的動能傳遞至工作機(jī)構(gòu)，常見的傳動機(jī)構(gòu)為齒輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)。在傳動機(jī)構(gòu)的作用下，工作機(jī)構(gòu)完成特定的操作任務(wù)，如電梯的升降、地鐵車門的自動啟閉。

1.2 同步磁阻電機(jī)

同步磁阻電機(jī)（SynRM）是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種同步電機(jī)，不設(shè)置勵磁繞組或者永磁體，優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、不產(chǎn)生籠型轉(zhuǎn)子損耗，主要用于變頻控制。

2 基于DTFC-SVM 的電氣傳動系統(tǒng)無傳感器控制技術(shù)

由于電動機(jī)是電氣傳動系統(tǒng)的動力來源，因而成為重點控制對象。以下根據(jù)同步磁阻電機(jī)的特點，介紹DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用原理。其中，DTFC 表示直接扭矩和磁鏈控制技術(shù)，SVM 為空間矢量調(diào)制技術(shù)。研究過程中將PWM 變頻器作為SVM 技術(shù)的載體。

2.1 DTFC 控制技術(shù)

2.1.1 DTFC 控制技術(shù)的特點

DTFC 控制技術(shù)主要用于驅(qū)動交流電動機(jī)，并且對電動機(jī)的供電方式提出了要求——適配設(shè)計有逆變器的電流源或者電壓源。在同步磁阻電動機(jī)中，通過磁鏈?zhǔn)噶吭谏葏^(qū)上的分布位置、轉(zhuǎn)矩誤差以及磁鏈?zhǔn)噶康姆祵㈦妷菏噶渴┘又聊孀兤?。轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈?zhǔn)噶烤鶠榫_的物理量，由于難以直接測量，在實際運行過程中須估算其數(shù)值。DTFC 控制技術(shù)簡化了同步磁阻電動機(jī)的控制方式，無需設(shè)置PI 控制器和矢量旋轉(zhuǎn)變換，電動機(jī)運行參數(shù)的變化與DTFC 控制技術(shù)的關(guān)系集中體現(xiàn)在速度觀測器、扭矩以及磁鏈三個方面［3］。與直接矢量控制技術(shù)不同，DTFC 產(chǎn)生扭矩的過程建立在定子磁鏈的基礎(chǔ)上，而前者依靠轉(zhuǎn)子磁鏈產(chǎn)生扭矩?？傮w而言，DTFC 控制技術(shù)具備多方面的優(yōu)勢，其對不同類型的電動機(jī)具有廣泛的適應(yīng)性，因而成為通用設(shè)計方案的主要技術(shù)路徑，能夠滿足無運動傳感器的電動機(jī)控制需求。在硬件設(shè)計層面，該控制技術(shù)可集成在一個數(shù)字化的控制板內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單。

2.1.2 控制原理

（1）DTFC 的控制結(jié)構(gòu)

DTFC 的控制結(jié)構(gòu)由速度控制器、開關(guān)表、逆變器、速度觀測器、電動機(jī)、定子磁通和轉(zhuǎn)矩觀測器以及PVM 逆變器組成。

（2）控制原理分析

電壓矢量的作用時間是DTFC 控制的重點，其控制方式可分為兩種，其一是將電壓矢量的作用時間設(shè)置為恒定值，其二是根據(jù)滯環(huán)寬度確定該參數(shù)。第一種控制方式下的開關(guān)頻率也保持為恒值。第二種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)平均開關(guān)頻率恒定。在無運動傳感器的磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)中，為保證扭矩響應(yīng)的速度（要求時間在1 到5 毫秒內(nèi)），應(yīng)該設(shè)置轉(zhuǎn)速觀測器和磁鏈觀測器兩種設(shè)備，將速度誤差控制在0～0.1%之間，調(diào)速區(qū)間控制在1 到100 之間。

2.2 DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)的實現(xiàn)原理

2.2.1 同步磁阻電機(jī)的無運動傳感器傳動原理

基于同步磁阻電機(jī)的無傳感器傳動控制系統(tǒng)由電機(jī)、逆變器、定子磁通和轉(zhuǎn)矩觀測器、PI 速度控制器、速度觀測器、DTC 開關(guān)表以及SVM 等組成。系統(tǒng)輸入?yún)⒘繛槎ㄗ哟沛満娃D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的參考值。以dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為背景，同步磁阻電機(jī)的控制模型可表示如下：

式中，將轉(zhuǎn)子的空間角速度記為ωr，ψd、ψq分別為d 軸和q 軸對應(yīng)的定子磁通量，id、iq為d 軸和q軸對應(yīng)的電流，ud、uq為兩個軸對應(yīng)的電壓分量，Ld和Lq分別為兩軸對應(yīng)的電感，te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，Rs表示相繞組的電阻值。

2.2.2 磁通估算

根據(jù)DTFC 控制技術(shù)的實現(xiàn)原理，磁通量是重要的參數(shù)，通過磁通估算器獲取該參數(shù)。電機(jī)的電流模型和電壓模型是磁通估算器的理論基礎(chǔ)，電壓模型適用于電機(jī)高速運轉(zhuǎn)時的磁通估算，電流模型適用于電機(jī)低速運轉(zhuǎn)時的磁通量估算。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速適中時，兩種估算模式可實現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)換，依據(jù)為電流誤差，由PI 速度控制器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程：

2.2.3 扭矩估算

在獲得定子電流和定子磁通量兩個參數(shù)后，按照式（6）估算出轉(zhuǎn)矩：

式中，ψsα、ψsβ、isα、isβ分別為α、β 方向上的磁通分量和電流分量。

2.2.4 DTFC-SVM 控制

（1）磁通、扭矩的參考值及估算值

通過式（4）和式（6）計算出磁通、扭矩的估算值，將其對應(yīng)的參考值分別記為ψ＊s、T＊s，參考值和估算值之間存在一定的差值，分別記為εψ、εt，將滯環(huán)寬度記為hm。當(dāng)εψ＞0 時，有磁鏈ψs＝＋1，當(dāng)εψ＜0時，有磁鏈ψs＝-1。當(dāng)εt＞hm時，有直接扭矩Te＝＋1，當(dāng)εt＜-hm時，有直接扭矩Te＝-1。當(dāng)εt＜hm時，有直接扭矩Te＝0。

（2）逆變器電壓矢量控制

逆變器上施加的電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶吭谏葏^(qū)上的分布位置密切相關(guān)，因而必須先掌握具體的分布扇區(qū)。在DTFC-SVM 控制技術(shù)中，通過DTFC 從開關(guān)表中選擇電壓矢量，將其作用于逆變器上，但實施這一步驟之前，先由SVM 對該電壓矢量進(jìn)行調(diào)制。具體的調(diào)制方法如下：以電機(jī)的一個完整開關(guān)周期為分析對象，其電壓矢量存在零矢量和非零矢量兩種狀態(tài)，在周期內(nèi)實現(xiàn)切換，可通過相鄰的電壓零矢量和非零矢量合成任何所需的電壓矢量［4］。

2.3 預(yù)期電壓矢量在DTFC-SVM 無傳感器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

DTFC-SVM 控制技術(shù)在同步磁阻電機(jī)中應(yīng)用廣泛，該控制方法的優(yōu)勢在于響應(yīng)快捷、結(jié)構(gòu)簡單，并消除了系統(tǒng)耦合方面的問題。開關(guān)電壓矢量在電機(jī)啟停過程中發(fā)揮著重要作用，需要正確設(shè)置這一參數(shù)。在傳統(tǒng)的DTFC-SVM 控制模式下，電機(jī)系統(tǒng)中由同一個開關(guān)電壓矢量控制定子的旋轉(zhuǎn)速度及其磁鏈?zhǔn)噶?，該電壓值通常與系統(tǒng)的預(yù)期控制電壓不相等，二者之間存在一定的差值，因而制約了電機(jī)的控制效果，形成了誤差。滯環(huán)比較器通過誤差的正負(fù)性來判斷是否存在電壓偏差，但僅能實現(xiàn)定性判斷，無法準(zhǔn)確計算出差值，因而也無從判斷該參數(shù)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響程度。為了有效解決以上問題，在DTFC-SVM 控制技術(shù)中引入預(yù)期電壓矢量，以實現(xiàn)直接扭矩控制。同時，通過扭矩調(diào)節(jié)器控制電磁扭矩，使其替代傳統(tǒng)滯環(huán)比較器的功能。在上一個系統(tǒng)采樣周期內(nèi)，將定子磁鏈記為ψs，將其對應(yīng)的扭矩記為te，這兩個參數(shù)決定了預(yù)期電壓矢量的取值，可將預(yù)期電壓矢量視作相鄰零電壓矢量與非零開關(guān)電壓矢量的調(diào)制結(jié)果，其計算表達(dá)式如下：

式中，u′s為預(yù)期電壓矢量，u′α、u′β分別為u′s的分量，Rs為相繞組的電阻，轉(zhuǎn)矩的角增量記為Δδ，控制周期記為ΔT，ρs為定子磁鏈ψs在靜止ABC 軸系中的相位角，iα、iβ為α-β 坐標(biāo)系上對應(yīng)的電流分量［5］。

2.4 融入預(yù)期電壓的DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)仿真研究

2.4.1 控制模型構(gòu)成

仿真過程中針對同步磁阻電機(jī)建立DTFCSVM 無傳感器控制系統(tǒng)，其主要構(gòu)成包括調(diào)節(jié)器、預(yù)期電壓矢量計算模塊、電壓矢量調(diào)制模塊、電壓源逆變器、電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測模塊等。

2.4.2 建模方法

采用Matlab中的Simulink可視化仿真工具組件，建立基于預(yù)期電壓的DTFC-SVM 控制模型，為了體現(xiàn)該控制模型的效果，將傳統(tǒng)的DTFC-SVM（不引入預(yù)期電壓）作為對照組，給定的電機(jī)運行參數(shù)參考表1。

表1 仿真研究中電機(jī)的給定參數(shù)

2.4.3 仿真結(jié)果分析

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果分析

①對照組的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

對照組同樣采用DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)，但不采用預(yù)期電壓，同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速在啟動后約0.017s 時達(dá)到峰值，最高轉(zhuǎn)速為771r／min，從0.017s 到0.1s，轉(zhuǎn)速逐漸下降，隨后穩(wěn)定在大約600r／min。

②實驗組的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

實驗組的DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)中融入了預(yù)期電壓，同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速在啟動后約0.007s 時達(dá)到峰值，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了801r／min，從0.007s 到0.01s，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)明顯下降，隨后穩(wěn)定在大約600r／min。對比實驗組和對照組的數(shù)據(jù)可知，融入預(yù)期電壓的DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動，電機(jī)也更快地進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度明顯高于不引入預(yù)期電壓的控制系統(tǒng)。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果分析

①對照組的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

觀測時間為0.4s，在電機(jī)啟動后的0s～0.011s內(nèi)，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出一定的波動性，數(shù)值在4.3N·m～5.4N·m 之間，隨后快速下降。轉(zhuǎn)矩值在0.021s～0.2s內(nèi)出現(xiàn)平臺，但數(shù)值波動變化，范圍在-1.1N·m～0.4N·m 之間。0.2s～0.4s 形成了另一個平臺期，轉(zhuǎn)矩值在0.9N·m～2.0N·m 之間波動變化。

②實驗組的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

實驗組觀測時間同樣為0.4s，當(dāng)電機(jī)啟動的一瞬間，轉(zhuǎn)矩值達(dá)到29.8N·m，隨后快速下降，于0.009s時達(dá)到最低值-4.7N·m。從0.009s～0.012s，轉(zhuǎn)矩反彈至0N·m，并保持穩(wěn)定至0.2s。之后，轉(zhuǎn)矩在很短的時間內(nèi)小幅上升，達(dá)到1.3N·m，并保持穩(wěn)定。從實驗組和對照組的轉(zhuǎn)矩變化情況可知，融入預(yù)期電壓的DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并且穩(wěn)定后不易出現(xiàn)波動。

3 結(jié)論

同步磁阻電動機(jī)具有較多優(yōu)勢，是制造電氣傳動系統(tǒng)的常用組件，但其在啟動時容易出現(xiàn)較大的磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。采用DTFC-SVM 無傳感器控制技術(shù)優(yōu)化該電動機(jī)的運行狀態(tài)，并引入預(yù)期電壓矢量，新的控制方法可顯著提升電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，使其快速進(jìn)入穩(wěn)定階段，使脈動過大的問題得到了有效控制。