异步电机无速度传感器DTC系统带速重启动控制研究
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摘 要：异步电机无速度传感器直接转矩控制系统因其对电机参数依赖小，转矩动态响应快，已经被广泛研究，当逆变器交流侧瞬时断电，系统在重投入时，由于电机残压效应的存在，可能会产生比启动时更严重的冲击电流和转矩，导致励磁的失败，引起系统工作不稳定。需要研究减小重投时刻定子冲击电流的方法，文章基于此问题建立异步电机断电后残压模型，提出一种结合残余电压相位校正和电流滞环的混合重启动策略，冲击减小，确保重投运行的成功。
关键词：异步电机；无速度传感器；带速重投
引言
直接转矩控制自上世纪八十年代Depenbr-ock提出以来，由于其简单的结构和良好的动态性能，已经被广泛应用于各种交流传动系统中。直接转矩控制根据估计的磁链和转矩，选择合适的电压矢量用于直接控制转矩的大小。相比矢量控制，它只需利用定子电阻来估计磁链，对电机参数的依赖性减小了，且不用进行复杂的坐标变换，转矩和磁链的动态性能较好。交流传动系统中速度传感器的存在会提高成本及复杂程度，尤其高速运行时，速度传感器的故障率较高。因此采用无速度传感器控制可以简化系统，提高系统可靠性并降低成本。
文献1和文献2针对无速度传感器控制系统带速重投问题进行了研究，主要研究为转速估计问题，若重投入时转速观测误差太大，则可能导致励磁失败。在带速重启动过程中，断电之后，异步电机定子侧会留有残压，若逆变器重启动时输出的电压与残压的相位差为180°，则将产生较大的冲击电流和转矩，该冲击也可能造成重启动失败，乃至损坏电机。针对定子侧残压问题，文章在异步电机直接转矩控制系统的基础上，分析了系统断电后电机定子侧产生的残压，提出一种结合残余电压相位校正和电流滞环的混合重启动策略，控制重启动时逆变器输出电压与残压的相位之差在合适范围之内，减小冲击。
1 基于MARS的全维速度观测方案
基于MARS的速度观测器具有良好的实用性，其优点在于结构相对简单，稳定性较好，且与降维观测器相比，全维观测器具有鲁棒性强、低速特性好等优点，因此采用基于MARS的全维速度估算方法，建立异步电机无速度传感器dtc系统。
选取两相静止坐标系为参考坐标系，异步电机数学模型可由以下四阶状态方程描述：
由磁链观测器极点正比于原系统极点方法求取合适的增益矩阵G，使得式（6）的第一部分（A+GC）T+（A+GC）
2 带速重投中的残压研究
逆变器交流侧出现瞬时断电时，上述速度辨识方案中所用到的状态参量都在向零衰减，此时速度辨识获得的速度观测值误差太大。转速在负载转矩的作用下逐渐减小，如果在重投时刻估计的转速与实际的转速相差过大，重投时将无法成功励磁，导致整个传动系统运行失败。文献1针对此问题进行了详细的研究，提出一种在断电后采用自寻优模糊搜索的方法来辨识断电后的电机转速，可以有效的减小重投时刻辨识速度和真实速度的误差，提高了重投的成功率。
然而电机失电之后，定子电流短时间变为0，但转子时间常数较大，使得转子侧的电流衰减速度较慢，而残留的转子电流作为激磁电流会产生气隙磁通，进而在定子绕组侧感应出残余电压。若带速重启动时刻定子侧感应的残压与逆变器的输出电压相位相差180°时，将形成比启动时更大的冲击电流和冲击转矩，冲击过大甚至会损坏电机，且在负转矩的情况下，电机的转速将快速降低，此时自寻优模糊速度观测方案也无法估算电机的实际转速，导致整体系统重启动时无法励磁。
2.1 感应电机数学模型
在定子参考坐标系下，异步电机定转子电压、磁链和电流矢量方程为：
2.2 断电后定子侧残压分析
假设t0时刻逆变器断电，考虑定子电流迅速衰减为零，此时为保持主磁路磁链不突变，转子的电压方程可以简化为：
3 结合残余电压相位校正和电流滞环的混合重投策略
为提高重启动的成功率，有必要进一步减小控制系统重启动时刻的冲击，提出在重启动过程中保证逆变器的电压相位与异步电机残压相位相差相对较小的控制策略，以使得重启动时刻电流和转矩的冲击在合理区间，图2为逆变器的输出电压矢量图。
结合图2和结合重启动时电压矢量的选择原则，以及计算得到的残压数据，选择合理的开关电压矢量使得其与残压的相位相差尽量小，保证重启动时的冲击电流和冲击转矩在可承受区间内。图2中，ur为重启动时的残压，此刻残压位于第一扇区，应该选择电压矢量V1来重启动励磁，此时可保证重启动的逆变器输出电压与残压的相位之差小于30°。
另外，为进一步减小冲击电流，提出增加定子电流控制电路的控制策略，如图3所示。
将实时采集的定子电流与参考值比较后通过一容差为？着的滞环控制器，由于重启动中三相电流的不平衡性，有必要控制每一相电流。只有在每一相电流均相比电流参考值？砖？鄢较小的情况下，电流的控制信号为0，继续重投过程，而若其中一相电流大于？砖？鄢并在容差？着范围以外时，电流的控制信号为1，投入的电压矢量为零矢量，以达到控制电流的目的。
图4为带速重投控制策略结构图，系统断电后，之前的速度估算方案失效，采用自寻优模糊搜索方法计算转子的实际速度，然后根据式（16）计算电机的实时残压，进而得到残压所在相位扇区，并选择合适的电压矢量完成重启动过程。
为进一步减小冲击电流且缩短重投进入稳定运行的时间，采用一种串、并行混合重启动策略，即根据残压相位，先采用串行法，将投入合适的空间工作矢量保持到磁链增加到参考值的一半，然后再改变开关矢量以同时增加磁链和转矩，直至稳态运行，可以缩短重投进入稳定运行的时间。
4 仿真分析
根据上述理论，建立了基于Matlab/simulink的异步电机无速度传感器直接转矩控制系统，并对瞬时断电的重投过程进行仿真分析。异步电机参数为：额定功率PN=37kW；额定电压UN=380V；额定频率fN=50Hz；Rs=0.029；Rr=0.0749；Ls=0.7235mH；Lr=0.7533mH；Lm=0.0270758H；转动惯量J=1.6kg・m2；极对数np=2。
系统负载转矩设定为100Nm，速度估计情况如图5和图6所示，最大误差仅为0.001%。
图7为系统在0.3s逆变器被封锁后，异步电机定子侧产生的残压图形，由仿真结果可看出残压的频率和幅值都随着转速的下降在不断衰减。图8为0.3s断电后采用自优化模糊搜索得到转速，结果表明此方法可以准确的估算系统断电后的转速。
图9为0.6s时系统重投过渡过程的各变量变化波形图，图a-d为直接重投后情况，图e-h为采用混合控制重启动方法后的结果。对比可知，直接重投入冲击极大且持续时间长，极易导致励磁失败，且电流冲击过大会直接导致逆变器损坏。采用混合重投策略，逆变器的输出电压与电机定子侧残压相位差小于30°，并结合电流控制电路，采取串、并行的混合重启动策略，有效的减小了重启动的冲击电流，减小了系统重启动过程中的冲击，由图e-h可知，该重投策略的冲击转矩和冲击电流均较小，且持续时间较短，保证了重启动的成功。
5 结束语
建立了异步电机无速度传感器直接转矩控制系统，介绍了一种基于MARS的全维自适应速度观测器，该观测器具有良好的跟踪性，能满足系统的需要。在此基础上对带速重投中的冲击问题进行了研究，分析系统断电后的定子侧的残余电压，提出一种结合残压相位校正和电流滞环的混合重启动策略，大大减少了冲击效应，提高了重投的成功率。
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