一种适合DTC应用的非线性正交反馈补偿磁链观测器

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基于新型ADRC控制器和MC变换器的电机DTC控制系统研究

基于新型ADRC控制器和MC变换器的电机DTC控制系统研究程启明;黄伟;程尹曼;郭凯;徐聪;邓亮【摘要】针对传统PID控制器参数鲁棒性和抗干扰性均较差的问题,提出了一种基于简化参数的自抗扰控制器(ADRC)的感应电机(IM)直接转矩控制(DTC)方法,它以给定转速和实际转速作为输入信号,并以给定电磁转矩作为输出信号,从而设计了基于简化参数的ADRC速度控制器. 另外,由于传统DTC系统中采用常规的矩阵变换器( MC ) ,其电压传输比较低,难以满足电机对电压的要求,直接影响了电机的输出特性,依据三相boost斩波器和MC的优势,提出一种新型MC直接转矩控制( DTC)方法,并对其进行建模分析,从理论上证明了该拓扑结构的合理性. 仿真结果表明了提出的电机DTC控制系统的转速和转矩响应快速,转矩脉动大大减小,系统具有良好的动、静态性能.%Because the traditional PID controller parameters robustness and immunity has some defect, di-rect torque control ( DTC) method for induction motor ( IM) based on active disturbance rejection control ( ADRC) of simplified parameter were proposed. The ADRC speed controller were designed with the giv-en speed and actual speed as the input signal and the given electromagnetic torque as the output signal. In addition, matrix converter ( MC) voltage transmission is relatively low in the traditional DTC system, it is difficult to meet the voltage requirements for the motor, so it affects the output characteristics of the mo-tor directly.A novel matrix converter combined the advantages of three-phase boost chopper and matrix converter were proposed and the model analysis prove the rationality of the topology. The simulation re-sults effectivelyprove that the torque and speed of the motor respond quickly, the torque ripple are re-duced greatly, and the system has good dynamic and static performance.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2015(019)008【总页数】9页(P53-61)【关键词】直接转矩控制;自抗扰控制器;矩阵变换器;感应电机;PID控制;boost斩波器【作者】程启明;黄伟;程尹曼;郭凯;徐聪;邓亮【作者单位】上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力公司市北供电分公司,上海200041;上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TM762;TM343直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)克服了以传统磁场定向的矢量控制(Vector Control,VC)中对参数敏感的缺陷,不需要将感应电机(induction motor,IM)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［1-2］。

基于有效磁链观测器的内置式永磁同步电机的无差拍直接转矩控制

基于有效磁链观测器的内置式永磁同步电机的无差拍直接转矩控制文婷;张兴华【摘要】To improve the performance of permanent magnet synchronous motor drive system,a speed-sensorless deadbeat direct torque control (DB-DTC) of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) was presented.Based on the discrete model of the motor,the deadbeat voltage control law of the torque and flux linkage was derived.By employing a graphical analysis method,the physical meanings of the voltage vector solution were explained clearly.The speed sensorless control of IPMSM was realized by combining the DB-DTC and the speed estimation method which based on the active flux observer.Simulation results verified the effectiveness of the proposed method.%为提高永磁同步电机驱动系统的性能,提出一种无速度传感器内置式永磁同步电机(IPMSM)无差拍直接转矩控制方法.在建立电机离散化模型的基础上,导出了转矩与磁链的无差拍电压控制律.采用图形化辅助解析的方法,直观地表达了无差拍直接转矩控制电压矢量解的物理含义.将无差拍直接转矩控制与基于有效磁链观测器的速度估算方法相结合,实现了IPMSM的无速度传感器控制.仿真结果验证了该方法的有效性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】5页(P27-31)【关键词】内置式永磁同步电机;无差拍直接转矩控制;空间矢量调制;有效磁链;无速度传感器【作者】文婷;张兴华【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211816;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京211816【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机具有体积小、可控性好、调速范围广和功率因数高等一系列优点，在工业中获得了广泛应用。

基于电压电流混合模型的新型磁链观测器

基于电压电流混合模型的新型磁链观测器时维国; 桑尧尧【期刊名称】《《电机与控制应用》》【年(卷),期】2019(046)007【总页数】6页(P14-19)【关键词】永磁同步电机; 磁链观测器; 混合模型; 直接转矩控制【作者】时维国; 桑尧尧【作者单位】大连交通大学电气信息工程学院辽宁大连116028【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(PMSM)具有多变量非线性强耦合等特点。

为了应用于生活中，需要更加快速且稳定地控制电机。

直接转矩控制(DTC)是利用逆变器输出电压矢量直接控制电机定子磁链和电磁转矩的控制方法。

在DTC中，直接控制定子磁链和电磁转矩，定子磁链和电磁转矩的估计精度影响整个控制系统的性能；同时，电磁转矩的计算需要PMSM定子磁链，即PMSM电磁转矩的控制精度取决于对电机定子磁链观测的准确度[1-2]。

因此，对定子磁链的观测是直接转矩系统中非常重要的一环。

文献[3]采用低通滤波器来代替传统电压模型观测方法，导致了观测定子磁链的幅值和相位出现误差。

文献[4]提出对定子磁链进行限幅，然后加入高通滤波器来对磁链幅值进行补偿，但无法解决相位偏移问题。

文献[5]采用新型纯积分方法在线辨识磁链，方法简单，易于实现，但在低速区性能较差。

文献[6]提出采用锁相环的改进电压模型磁链观测器，基本上解决了直流偏置和积分初始值偏差问题，但在低速阶段，电机定子电动势受电阻压降影响大，测量误差较大，改进电压模型不能准确测量定子磁链。

基于精确的电机数学模型、采用降阶状态观测器取代传统电压模型观测定子磁链[7]，或用于异步电机的基于扩展卡尔曼滤波的定子磁链观测器观测定子磁链[8]，或采用模型参考自适应方法辨识定子磁链[9]，均取得了较好的观测效果，但是上述方法中的观测器结构复杂。

文献[10]引入一阶低通滤波器与一阶高通滤波器的串联结构，来消除电压模型磁链观测器的直流偏置和积分初值设置问题，并通过补偿环节补偿滤波器引入的幅值和相位误差。

一种新型永磁同步电机定子磁链观测器

一种新型永磁同步电机定子磁链观测器邢岩;王旭;刘岩;杨丹【摘要】定子磁链估计是直接转矩控制中不可缺少的部分,传统直接转矩控制中通过对反电动势值进行积分估计定子磁链.为了避免纯积分法的缺陷,提出定子磁链估计的改进方法,将扩展卡尔曼滤波引入到直接转矩控制中,利用扩展卡尔曼滤波估计定子磁链,研究了扩展卡尔曼滤波在定子磁链估计中的应用.仿真结果表明所提出的算法克服了传统反电动势积分法的缺陷,不仅能准确估计速度、转子位置和定子磁链,并且对电机参数具有很强的鲁棒性.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)006【总页数】4页(P766-769)【关键词】永磁同步电机;定子磁链估计;扩展卡尔曼滤波;直接转矩控制;无速度传感器【作者】邢岩;王旭;刘岩;杨丹【作者单位】东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819;东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TP273.2永磁同步电机结构简单，运行可靠，损耗少，效率高，噪声低，因而应用范围极为广泛[1].1986年感应电机直接转矩控制方法的提出[2]，使直接转矩控制作为交流电机控制的有效策略得到广泛应用，并且应用到永磁同步电机中.虽然直接转矩控制因具有动态响应快、对参数依赖少、不需要电流控制器而消除了内部延迟等优点而受到越来越多的关注[3-4].但是它也存在缺点和限制：定子磁链的计算受定子电阻和反电动势积分的影响.因此许多文献中提出改进的磁链估计方法，包括对直流测量偏移进行补偿[5]，以直流偏移是常数为前提，但这在实际运行中并不满足；利用可编程低通滤波器对定子磁链进行估计[6]；利用PI控制器跟踪定子电阻[7]及使用永磁同步电机的电流模型[8]，这两种方法需要用到转子位置信息，导致系统中增加位置传感器.这些方法都增加了计算量和系统模型的复杂度.本文将扩展卡尔曼滤波应用到直接转矩控制中，利用永磁同步电机电流模型计算定子磁链，同时将速度和转子位置作为状态分量进行估计.1 PMSM直接转矩控制直接转矩控制根据给定电磁转矩、定子磁链与实际电磁转矩、定子磁链的差值选择合适的定子电压矢量.在DTC中只用到定子电阻值，不需要电流控制器和其他电机参数，因此和矢量控制相比，直接转矩控制具有参数依赖少、转矩响应快等优点.2 传统DTC定子磁链估计直接转矩控制的基本原理是根据估算的电磁转矩Te，定子磁链幅值|ψs|和定子磁链角度θs来选择合适的定子电压矢量，从而调节转矩和磁链值.其中：Te=3p(ψsαiβ-ψsβiα)/2，p是极对数，iα，iβ分别是定子电流α轴、β轴分量，ψsα，ψsβ分别是定子磁链α轴、β轴分量.显然Te，|ψs|，θs都由ψsα和ψsβ决定，因此要想准确控制电机，定子磁链的估计至关重要.理论上讲，定子磁链矢量可以通过对反电动势值进行积分得到：ψs=(us-Rsis)dt+ψs|t=0.(1)式中：ψs|t=0是t=0时刻定子磁链的初始值；Rs，us，is分别为定子电阻、电压、电流.由于存在开环积分，us，is的直流测量偏移将导致定子磁链计算误差大，而且在电机运行过程中Rs随温度的升高而增加，也会导致定子磁链计算不准确.因此本文将扩展卡尔曼滤波应用到直接转矩控制中，利用永磁同步电机电流模型通过卡尔曼滤波状态分量计算定子磁链.3 基于EKF的定子磁链估计理论上定子磁链可由式(1)对反电动势积分得到，但存在偏移，因此本文采用SPMSM在两相静止坐标系(α，β)上的电流模型计算定子磁链：(2)式中：Ls是同步电感；ψf是永磁磁链；θr是转子位置角度.直接转矩控制不需要从静止坐标系到旋转坐标系的转换，因此本质上是一种无传感器控制策略，而由式(2)可以看出，计算定子磁链需要用到转子位置信息是一个主要缺点.为了估计转子位置信息，需要使用状态观测器[6]经过仔细研究，本文选用扩展卡尔曼滤波方法.3.1 卡尔曼滤波原理卡尔曼滤波是一种最小方差意义上的最优预测估计，采用状态空间法在时域内设计滤波器，设计简单易行.对于非线性系统可以采用扩展卡尔曼滤波，利用系统动态模型、可测量状态和系统及量测噪声对不可测状态进行估计.卡尔曼滤波算法分为两个阶段：预测阶段和修正阶段.预测阶段：由测得的输入量uk和电机模型f(xk，uk)得到电机下一个状态向量的估计值，由此计算出下一个状态输出向量的估计值并与实际测得的输出向量值zk+1进行比较.修正阶段：利用上一步所得误差、测量噪声协方差矩阵R，系统噪声协方差矩阵Q对状态值进行修正，同时计算卡尔曼增益矩阵Kk+1.3.2 扩展卡尔曼滤波选取x=[iα iβ ωr θr]T为状态变量，u=[uα uβ]T为输入变量，y=[iα iβ]T为输出变量.永磁同步电机系统状态方程和观测方程为(3)式中：则相应的扩展卡尔曼基本滤波公式为(4)(5)(6)(7)Pk+1=[I-Kk+1Hk+1]Pk+1，k.(8)4 仿真研究仿真用PMSM定子电阻Rs=2.857 Ω，直/交轴电感Ls=8.5 mH，永磁体磁链ψf=0.175 Wb.电机在轻载下启动，给定转速为150 rad/s，0.4 s时给定转速阶跃为200 rad/s.仿真结果如图1所示，从电机转速曲线可以看出，启动阶段和给定转速突变时估计转速比实际转速有较大的误差，但很快收敛于实际转速，误差趋于零.定子电阻值由于电机在运行过程中温度变化而发生变化，是时间的常数，通常定子电阻值会变化至原始值Rs0的1.5～1.7倍[9]，因此图2和图3分别给出实际定子电阻为1.7Rs0，电机在轻载下启动，给定转速为150 rad/s，0.4 s时阶跃为200 rad/s，传统DTC和引入EKF后(DTC_EKF)的仿真波形.图1 转速突变时仿真波形Fig.1 Simulation wave for speed change(a)—电机转速； (b)—实际转子位置；(c)—估计转子位置； (d)—电磁转矩； (e)—定子磁链. 可以看出，在传统DTC中，当定子电阻变化时，定子磁链波形非正弦，产生较大的估计误差.因为在传统DTC中采用式(1)估计定子磁链，实际定子电阻值发生变化，而和估计式(1)中使用的值不一致时，将导致定子磁链估计误差.EKF估计器可以很好地处理定子电阻误差，因为只有f(x，u)中含有Rs，当Rs变化时，EKF估计器可以通过闭环结构修正模型误差，改善定子电阻存在误差时的系统性能，如图3所示，实际定子电阻改变，估计转速能够快速跟踪实际转速，估计得到的定子磁链、转矩值与实际值相等，且磁链和转矩脉动小.图2 Rs=1.7Rs0时传统DTC仿真波形Fig.2 Conventional DTC wave whenRs=1.7Rs0图3 Rs=1.7Rs0时EKF_DTC波形Fig.3 EKF_DTC wave when Rs=1.7Rs0(a)—电机转速； (b)—实际转子位置；(c)—估计转子位置； (d)—电磁转矩； (e)—定子磁链.5 结论本文采用扩展卡尔曼滤波和永磁电机电流模型估计定子磁链，减小转矩和磁链脉动，由于扩展卡尔曼滤波的应用，形成Rs闭环控制，解决了传统DTC中定子磁链估计受电阻影响大的问题；克服了传统DTC中纯积分法的缺陷.仿真结果表明，在速度突变的情况下，DTC_EKF可以很好地估计转速和转子位置，最终稳定在参考值，具有很好的动态和静态性能，而且对定子电阻具有很强的鲁棒性.参考文献：[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：1-12. (Tang Ren-yuan.Modern permanent magnet machines theory anddesign[M].Beijing：China Machine Press，1997：1-12.)[2] Takahashi I，Noguchi T.A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1986，22(5)：820-827.[3] 田淳，胡育文.永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J].电工技术学报，2002，17(1)：7-11.(Tian Chun，Hu Yu-wen.Study of the scheme and theory of the direct torque control in permanent magnet sychronous motordrives[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2002，17(1)：7-11.)[4] Zhong L，Rahman M F，Hu Y W，et al.A direct torque controller for permanent magnet synchronous motor drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(3)：637-642.[5] Chapuis Y A，Roye D，Davoine J.Principles and implementation of direct torque control by stator flux orientation of an inductionmotor[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition.Dallas，1995：185-191.[6] Rahman M F，Haque M E，Tang L，et al.Problems associated with the direct torque control of an interior permanent-magnet synchronous motor drive and their remedies[J].IEEE Transactions on Industry Electronics，2004，51(4)：799-809.[7] Haque M E，Rahman M F.Influence of stator resistance variation on direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive performance and its compensation[C]//Industry Applications Conference.Chicago，2001：2563-2569.[8] Andreescu G D，Pitic C I，Blaabjerg F，et bined flux observer with signal injection enhancement for wide speed range sensorless direct torque control of ipmsm drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23(2)：393-402.[9] Lee B S，Krishnan R.Adaptive stator resistance compensator for high performance direct torque controlled induction motor drive[C]//Industry Applications Conference.St.Louis，1998：423-430.。

一种基于非线性反馈补偿的定子磁链观测新方法

ｏｎｎｏｎｌａｅｄｂａｋｃｍｐｅｓｔｏｎｗａｓｐｒｐｏｓｄ．Ｔｈｅｖａｉｉｎｏｆｒｓｓａｃｓｅｔｍａｅｎｄｃｍｐｅｓｔｄｂｙｉｒｆｅｎｅｃｏｎａｉｏｅｒａｔｏｅｉｔｎｅｉｓｉｔｄａｏｎａｅｅｅｅｔｔｓｒｒ（ｘｔｎｄｄｓａｅｏｂｅｖｅＥＳ０）ｔｍｐｏｈｅｐｅｆｒａｃｆｔｔｔｌｘｅｖｒＳｉｕａｉｎｄｅｐｅｉｏｉｒｖｅｔｒｏｍｎｅｏｈｅｓａｏｒｆｕｏｂｓｒｅ．ｍｌｔｏｎａｘｒ— ｍｅｅｕｔｏｎｉｍｈｅｖｌｄｉｙａｅｉｉｉｙｏｈｏｐｅｅｈｎｔｒｓｌｓｃｆｒｔａｉｔｎｄｆａｓｂｌｔｆｔｅｐｒｏｓｄｍｔｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｓ：ｎｌｎａｅｄｂａｋｏｐｅａｉｎ；ｓａｏｒｆｕｏｅｖｔｏｄｎｏｉｅｒｆｅｃｃｍｎｓｔｏｔｔｌｘｂｓｒａｉｎ；ｅｅｄｅｔｔｓｒｅ（ｘｔｎｄｓａｅｏｂｅｖｒＥＳＯ）
ＡｂｔａｔＴｈｅｓａｏｒｆｕｘｏｂｅｖａｉｓａｆｃｅｈｅｖａｉｔｏｎｏｏｏｒｐａａｅｅｓｉｉｅｔｔｑｕｏｓｒｃ：ｔｔｌｓｒｔｏｎｉｆｅｔｄｂｙｔｒａｉｆｍｔｒｍｔｒｎｄｒｃｏｒｅｃｎ－
运算量大，在实际应用当中有一定的局限性。针对传统磁链观测方法易受电阻参数变化影
响的问题，文通过对非线性反馈效应的分析，本提

PMSM DTC控制系统中定子磁链观测器的研究

当由于直流偏移量的作用而使 γ 角大于 90°时， ∆e 为负，磁链补偿值就会减小，相应
的磁链矢量ϕ 的值就会减小并向逆时针旋转，直到重新与反电势正交。当 γ 角小于 90°时分
析方法相似。因此自适应积分器可以自动调整补偿磁链的幅值来达到消除直流偏移量的目的。
-3-
β emf α
γ
ϕ2 ϕ2'
γ

PMSM DTC 控制系统中定子磁链观测器的研究
李钊，杨贵杰，李铁才，徐振刚
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 (150001)
E-mail：stephenlz@
摘要：针对直接转矩控制系统定子磁链观测器中积分环节对直流偏移量的积累误差问题，以及在低速情况下观测结果受定子电阻变化影响较大的问题，提出了一种新型的基于改进型积分器法并对定子电阻进行补偿的定子磁链观测器，该方法结构简单，易于工程实现。 Matlab/Simulink 仿真和实验表明，采用此方法的直接转矩系统能够在较宽的速度内运行，对直流偏移量有很好的抑制效果，并且对定子电阻的变化具有较强的鲁棒性。关键词：直接转矩控制；定子磁链观测；改进型积分器；定子电阻补偿中图分类号：TM351
-2-

由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变得比转子磁链转速大，造成定转子磁链之间夹角瞬时增加，转矩迅速增大，反之亦然。这说明了磁链运行状态是时进时退的，这样在磁链基波信号上必然会叠加上高频信号。另外，直接转矩控制中反电势是通过定子绕组外加电压减去电阻压降求得的，定子绕组外加电压为六个电压矢量组成的跳变信号，而电机中由于电感的作用电流为连续值，所以它们的差反电势为非连续的跳变信号。
ϕ1
ϕ
ϕ'

基于Anti-Windup控制器的自适应正交反馈补偿磁链观测器

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋｂａｓｅｄｏｎｖａｉａｒｂｌｅ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｔｉ — ｗｉｎｄｕｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｎｔｉ — ｗｉｎｄｕｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｏｌｖｅｄｗｉｎｄｕｐｐｒｏｂｌｅｍｉｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄａｌｆｕｘｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｍｏｄｅｌｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａ－
第４７卷第２期
２０１４芷
截１Ｉ｝粕
ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ
Ｖｏ１．４７．Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１４
２月
基于Ａｎｔｉ — Ｗｉｎｄｕｐ控制器的自适应正交反馈补偿磁链观测器
杨德刚，游林儒，陈友焰，周超
ｔｉｍａｔｅｄｌｆｕｘａｎｄｂａｃｋｅｍｆ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｏｕｌｄｅｌｉｍｉｎａｔｅｉｌｌｅｆｆｅｃｔｓｃａｕｓｅｄｂｙａｐｕｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｏｒｉｎｔｈｅｖｏｌｔ — ａｇｅｍｏｄｅｌｑｕｉｃｋｌｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｏｂｓｅｒｖｅｒｃｏｕｌｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｅｓｔｉ —

T型三电平逆变器馈电双三相PMSM直接转矩控制

T型三电平逆变器馈电双三相PMSM直接转矩控制王学庆;王政;程明【摘要】提出了一种T型三电平逆变器馈电双三相PMSM驱动系统直接转矩控制(DTC)策略.该系统既具有多相电机转矩脉动小、电流应力小和故障容错能力强的优点,也继承了T型三电平电机驱动谐波性能好、可靠性高的特点.该文所提出的基于双空间矢量调制(SVM)技术的直接转矩控制策略保留了DTC快速动态响应特性.与基于空间矢量解耦(VSD)的SVM技术相比,双SVM技术避免了复杂的矢量合成过程,并具有良好的谐波控制效果.所提出的控制策略还设计了谐波电流闭环控制器,能够有效抑制由绕组不对称、反电动势谐波、死区等非线性因素引起的低次谐波电流.通过实验验证了所提出的T型三电平逆变器馈电双三相PMSM驱动系统DTC 策略的有效性.%A direct torque control (DTC) strategy of T-type three-level inverter fed dual three-phase PMSM drives is proposed and studied in this paper. This system possesses the advantages of low torque pulsations, low current stress and strong fault tolerance from dual three-phase PMSM, while inheriting the characters of good harmonic performance and high reliability from T-type three-level inverter. The double space vector modulation (SVM) technology based direct torque control scheme proposed in this paper retains the fast dynamic performance of DTC. Compared to conventional vector space decomposition (VSD) based SVM technology, the proposed double SVMs technology can achieve good harmonic suppression effect, while avoiding complicated process of voltage vector synthesis. A closed-loop harmonic current controller is also designed in the proposed strategy, which can suppress the low orderharmonics caused by caused by motor asymmetry, EMF harmonic and dead-time effectively. The experimental result are given to verify the validity and feasibility of the DTC strategy of T-type three-level inverter fed dual three-phase PMSM drives.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)0z1【总页数】8页(P116-123)【关键词】双三相PMSM驱动;T型三电平逆变器;直接转矩控制;谐波抑制【作者】王学庆;王政;程明【作者单位】东南大学电气工程学院南京 210096;东南大学电气工程学院南京210096;东南大学电气工程学院南京 210096【正文语种】中文【中图分类】TM301.2近年来，随着大功率、高可靠性电机驱动系统需求的不断增加，多相电机已广泛应用于舰艇推进、电动汽车、轨道交通及航空航天等领域[1,2]。

永磁同步电机逆变器非线性补偿控制

自适应、有效地补偿估计反电动势谐波误差。文
测器观测出反电势，进而经过一系列计算间接获
取转子位置和转速信息。由此看来，反电势观测
的准确度成为无位置传感器滑模控制的关键。
然而，随着滑模观测法的永磁同步电机无传感
器控制应用领域逐渐向高性能场合发展，一些关
键问题逐渐体现：如逆变器非线性、磁饱和以及
转子磁场谐波导致电机转子位置估计精度降低
波法［4］、模型参考自适应法［5］、载波频率成分法［6］
观测算法广泛应用于无位置传感器永磁同步电
机转子位置以及转速检测中［1］。首先通过滑模观
以及滑模观测法［7-8］等。其中，滑模观测法以结构
简单、抗干扰性强的优点，被广泛应用于永磁同
步电机无传感器驱动控制实际工程中。文献［9］
提出一种新型滑模观测器来实现永磁同步电机
等等［2］。
近年来，针对永磁同步电机无位置传感器控
制问题，国内外学者提出多种转子位置以及转速
基金项目：2017 年度校科研基金项目（11130300117014）；
2017 年江苏省知识产权软科学研究计划项目（JSIP-2017-R-9）
作者简介：李玮（1972-），
女，
本科，
副教授，
Email：
czgclw@
中图分类号：TM301
文献标识码：
A
DOI：
10.19457/j.1001-2095.dqcd18994
Nonlinear Compensation Control of Inverter for Permanent Magnet Synchronous Motor
LI Wei
（School of Intelligent Equipment and Information Engineering，Changzhou Vocational

基于三电平SVM技术的船舶电力推进DTC研究

Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｎｅｕｔｒａｌ — ｐｏｉｎｔ－ｃｈａｍｐｅｄｔｈｒｅｅ — ｌｅｖｅｌｉｎｖｅ￣＇ｔｅｒｉｎｓｈｉｐｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ
ＤＴＣｗｉｔｈｍｉｄｄｌｅ — ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅａｎｄｂｉｇｃａｐａｃｉｔｙｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｏｏｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｌｏｗｓｐｅｅｄｉｎｓｈｉｐｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ａｎｅｗｌｆｕｘｏｂｓｅｒｖｅｒｗｉｔｈｓｔａｔｏｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄｏｎＵ— Ｉｌｆｕｘｏｂｓｅｖａｒｔｉｏｎｍｏｄｅ１．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ＳＶＭａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｄｏｕｂｌｅＰＩｒｅｇｕｌａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｏｗｓｐｅｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄ

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引言
永磁同步电机直接转矩控制（DTC）是一种电机磁链、转矩的直接自控制方式，能否对定子磁链的幅值、相位准确观测，直接影响直接转矩控制效果和电机运行性能。分析表明：假如磁链位置观测准确但幅值观测不准，会造成其幅值应该增大时反而减小，或者幅值应该减小时反而增大两种异常情况，前者将导致转矩输出能力减弱，后者会导致气隙磁场饱和、定子电流畸变、转矩输出过大，这两种情况都会导致转矩脉动增大、速度波动，影响系统运行稳定性；假如磁链幅值观测准确而相位观测不准，根据电磁转矩为电流矢量和定子磁链矢量叉积的概念，也会导致输出转矩过大或过小，影响系统运行性能。如果相位观测误差大于 ±30° ，则会在错误的扇区里选择电压矢量，最终导致控制失败。目前，定子磁链观测方法大体有以下几种：① 直接计算法[1-2]，该方法简单、动态响应快，但依赖
ψ so =
1
s + ωc
emf s
(2)
其中，ω c = 1/ τ ，为截止频率；τ 为时间常数。τ 值选取对定子磁链漂移分量的衰减速度影响很大， τ 值越大，直流分量衰减越慢，且对定子磁链的基波幅值衰减和相移影响也很大。高通滤波器的幅频响应为 τω G( jω ) = 1 + (τω ) 2 (3) π ∠G ( jω ) = − arctgωτ 2 可以看出，当定子磁链的频率很高时，信号的幅值衰减及相移均很小，系统能够正常运行。但当电机低速运行时，幅值衰减很大，相移也很大，电机磁链幅值、相位观测均不准确，致使 DTC 系统不能正常运行。解决的办法是低速时进行磁链幅值和相位补偿，低通补偿方式如图 3 所示。
2
传统反电势积分器及其改进算法
定子磁链的传统反电势积分算法是 ψ s = ∫ 0 ( us − Ris )dτ + ψ 0
t
(1)
emf s
其中， us 、 is 、 ψ 0 分别为定子电压矢量、电流矢量、初始磁链矢量，永磁同步电机初始磁链矢量由转子永磁体激励产生。反电势积分算法计算简单、响应快，仅依赖电机定子电阻唯一参数，但缺点非常明显，因为测量噪声和测量误差在一定时间内的积分表现为恒定直流量，引起磁链漂移，致使定子磁链矢量ψ s 运动轨迹不再是以原点为中心的一个圆，此时电机定子电流中含有直流分量，影响电机正常运行。此外，初始磁链矢量设置准确与否也影响磁链观测准确性。
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第1期
ห้องสมุดไป่ตู้
贾洪平等：一种适合 DTC 应用的非线性正交反馈补偿磁链观测器
103
后的 ψ sl 值之和，即 ωc s ψ so = ψ s + ψ so( k −1) ω c + s ωc + s (4)
反电势 emfα 、emf β 后添加一惯性环节，获得连续信号 emfα′ 、emf β′ 。增加惯性环节会引起反电势相移，因此磁链观测值 ψ α o 、 ψ β o 也必须经过相同惯性 ′o 、 ′ o 保持与反电势有相同环节使输出的磁链 ψ α ψβ 的相移。因此式(7)应改为 ′ o + emf β′ ⋅ψ β ′o emfα′ ⋅ψ α scom = ′ emf s′ ⋅ ψ so
图中 emf s 为检测出的反电势 ( us − Ris ) 。将图 1 中的积分环节和高通环节合并，得到一个低通环节，如图 2 所示。图 2 表明，反电势经过一阶低通滤波后也可得到磁链的观测值。
emf s 1/( s + ω c ) ψ so
Fig. 2
图 2 反电势低通滤波 Low-pass filter of back emf
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中国电机工程学报
第 26 卷
电机参数较多，且基于开环而无补偿，会导致计算结果随电机运行工况变化而不准确；②基于各种观测器的方法[3-10]，估计系统状态时，为使系统全局稳定，在不同的运行速度范围观测器须采取不同增益矩阵。该方法受电机参数影响很大，需要额外设置在线状态观测器来实时估计电机参数，致使系统结构复杂；③基于反电势积分方法[11-14]，这种方法仅依赖电机定子电阻参数，实现非常简单，但是低速性能不好。磁链观测器的设计原则是尽量少用或不用电机本身参数，避免状态观测随运行状态变化。对此，文献[15]提出三种基于反电势积分的磁链观测器改进方案，第一种方案在实际运行中仍然会有磁链直流偏移或者扭曲等问题；第二种方案须特别注意饱和限幅值的设置，且仅能用于恒磁通控制；第三种方案没有考虑直接转矩控制下反电势是非连续跳变信号这个实际情况，因此并不适合 DTC 运行，而且观测器中还含有 PI 调节器和非线性饱和模块，增加了调试难度。永磁同步电机直接转矩控制有其自身的特点，其所加空间电压矢量并不连续，是一种离散信号，但其定子电流因绕组电感存在而不能突变，定子电阻压降也不会突变，故其反电势也为非连续的离散信号。针对这种特点，本文设计了一种新型的适合永磁同步电机直接转矩控制运行的非线性正交反馈补偿磁链观测器，通过检测反电势和磁链的正交程度来控制补偿程度，进而决定出磁链的反馈值。该观测器算法不含 PI 调节，无饱和限幅模块，调节快速，易于实现，能适合恒磁通和弱磁运行。实验运行验证了这种新型磁链观测器的正确性和实用性。
消除纯积分器引起的直流漂移最简单方法是让按式 (1) 计算出的 ψ s 通过一个高通滤波器变为 ψ so ，如图 1 所示。
emf s 1/ s ψs s /( s + ω c ) ψ so
Fig. 1
图 1 磁链高通滤波 High-pass filter of flux linkage
第 26 卷第 1 期 2006 年 1 月文章编号：0258-8013（2006）01-0101-05
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM301 文献标识码：A
Vol.26 No.1 Jan. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470⋅40
JIA Hong-ping, HE Yi-kang （College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China）
ABSTRACT: A new nonlinear perpendicular flux observer with compensation feedback suitable for DTC application is presented in this paper, which is capable of ensuring flux linkage to be perpendicular to back electromotive force, so the stator flux linkage including its amplitude and phase angle can then be estimated accurately over a wide speed range. Therefore the proposed observer could solve those problems associated with traditional observer such as dc drift, magnetic saturation and inaccurate estimation of stator flux linkage at very low speed operation. Besides, this observer is very simple in structure, neither PI regulator nor nonlinear saturation limiter block included, robust to motor parameters uncertainty, suitable for application where the motor flux is required to vary or not to vary during operation and easy to implement in the industrial application. The experiment was implemented by the DTC controller in a 2 kW PMSM setup via a digital signal processor (DSP). The results indicate that the proposed observer can estimate accurately the stator flux linkage including its amplitude and phase angle when motor running at a very low frequency of 0.7 Hz and at the rating frequency of 100 Hz. The high performance operation for PMSM DTC using proposed flux observer has been achieved with satisfaction in laboratory. KEY WORDS: Nonlinear perpendicular compensation ； Stator flux linkage observer；Permanent magnet synchronous motor；Direct torque control(DTC); Filter 摘要：提出一种适合永磁同步电机直接转矩控制的非线性正交反馈补偿定子磁链观测器，从确保磁链和反电势正交的角度出发，保证电机在宽运行范围定子磁链观测的准确性，能