矩阵变换器—永磁同步电机无传感器控制系统的研究

潘宝安

PAN Bao-an

（临沂职业学院, 临沂 276000 ）

0 引言

矩阵变换器是一种新型交-交电力变换器，与传统的交-直-交变频器相比，具有很多优点，例如矩阵变换器输入功率因数可调，能量可双向流动，无直流环节储能元件，输入输出波形良好。如今，针对矩阵变换器进行了很多研究，如用于变频调速系统[1]，风力发电系统[2]，航空宇航系统[3],车辆牵引系统[4]等。其中变频调速系统是研究的热点，目前已经有基于矩阵变换器的磁场定向控制[5]和直接转矩控制[6]方面的研究。

1 间接式矩阵变换器

矩阵变换器可分为直接式矩阵变换器和间接式矩阵变换器。间接式矩阵变换器的结构如图1所示。

图1 间接式矩阵变换器的结构

类似于传统交-直-交变频器，间接式矩阵变换器包含整流侧和逆变侧，因此可分别对整流侧和逆变侧进行调制。但间接式矩阵变换器无中间直流环节储能元件。

1.1 整流侧的PWM调制

如图2所示，将三相输入电压划分为6个扇区，在每个扇区中，总有一相电压绝对值最大，另外两相电压与之反相。这样划分的目的是为了获取最大的直流电压。例如在第1扇区，ua为正，且绝对值最大，ub,uc为负。此时占空比计算为

θa,θb,θc输入相电压的相角。其他五个扇区与第1扇区的计算方法相同。

图2 输入电压扇区划分

1.2 逆变侧的SVPWM调制

如图3所示，根据逆变侧开关状态的不同，将输出电压也划分为六个扇区。1代表上桥臂导通，下桥臂关断，0则相反。因此，共包含6个有效矢量(U1～ U6)和2个零矢量(U0和U7)。当期望输出

Uref 时

图3 输出电压扇区

Un和Um为Uref所在扇区内的两个相邻矢量，U0为零矢量 (000或111). 占空比计算为

mV为逆变侧调制系数，0 ≤ mV≤1。

2 矩阵变换器—永磁同步电机控制系统

永磁同步电机具有较高的功率密度，较高的效率，快速动态响应，且转速与频率严格呈正比，因此常用于需要较高精度的伺服系统中。

在永磁同步电机的控制系统中，矢量控制可获得快速的速度响应和较好的转矩性能[7]，因此本文采用矢量控制。上一部分矩阵变换器的逆变侧的SVPWM调制即针对于永磁同步电机的矢量控制。

矢量控制系统如图4所示，其中的速度估算将在下一部分进行介绍。首先，三相定子电流被变换为dq旋转坐标系下的解耦量，包括磁通分量(id)和转矩分量(iq)。系统中包含三个PI控制器，其中一个外环控制器用于调节转速，另外两个内环控制器用于分别调节id和iq。系统采用id=0控制方式，这旨在获得最大转矩控制。

图4 矩阵变换器—永磁同步电机矢量控制系统

3 无传感器控制系统

为了获得闭环控制和磁场定向，需要检测电机的转速[8]。然而，速度传感器的引入增大了系统的体积，提高了成本，并且限制了在恶劣环境中的应用。由永磁同步电机本身的模型，可以通过检测电机的电压和电流推算出转速，而不使用传感器，这就是无传感器技术。估算转速的方法有很多，本文采用模型参考自适应系统。

模型参考自适应系统就是将不含估算参数的方程作为参考模型，将含有待估参数的方程作为可调模型，通过比较两个模型，当其差值为零时，即认为可调模型中的待估参数为实际值。

在旋转dq坐标系中，永磁同步电机的数学方程为

将定子电流作为变量

u 'q=uq,由(5)得

其中

式(6)包含转子速度信息，将其作为参考模型。ωr为待估参数，令估算值，则

式(6)变为

如果式(7)与实际值相同，则式(7)即为电机的精确模型。通过PI调节，估算转速可表示为

其中

通过PI调节，误差信号εω产生估算转速 ωr

^。迫使估算的定子电流 i 's^逼近实际定子电流i's，ω^即此时估算转速逼近实际转速。基于模型参考

r自适应系统的转速估算如图5所示。转子位置可由估算转速积分求得。

4 仿真分析

设仿真参数如下所示：

三相输入: 220V, 50Hz

定子电阻: 0.9585Ω

定子电感:Ld=Lq=5.25mH

永磁体磁通: 0.1827Wb

转动惯量: 0.0006329 kg●m2

摩擦因数: 0.0003035 N m s

极对数: 4

1）系统仿真结果

设开始时给定转速为200rpm，0.2s时突变为300rpm，负载转矩为1 N.m，仿真波形如图6所示。

图6 转速突变时的仿真波形

图6表明间接式矩阵变换器—永磁同步电机系统可以很好地跟踪指令转速的变化。

2）无传感器控制系统的仿真

设开始时给定转速为200rpm，0.2s时突变为300rpm，负载转矩为1 N.m，仿真波形如图7所示。

图7 无传感器控制系统的仿真

图7表明设计的无传感器控制系统可以很好地进行转速估算，并可用估算的转速代替实际的转速，实现了无传感器控制，降低了成本，缩小了体积，提高了可靠性。

5 结论

通过仿真结果可得，矩阵变换器是一种优越的电力变换器，可用作永磁同步电机的供电电源，具有良好的指令转速跟踪性能。提出的无传感器控制技术可应用于此系统，实现了转速估算和无传感器控制，降低了成本，缩小了体积，提高了系统可靠性。

[1] Klumpner C,Nielsen P,Boldea I and Blaabjerg F,“A new matrix converter motor (MCM) for industry applications,”IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49(2):325-335.

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[3] Trentin Andrew, Zanchetta Pericle, Wheeler Pat and Clare Jon,“Performance assessment of matrix converter and two stage matrix converter for EMA in aircraft application,”IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference,2007:2692-2697.

[4] Julian A L and Oriti G, “A DC traction drive application of a regenerative rectifier using AC/AC matrix converter theory,” Proceedings IEEE IAS’03, 2003:198-204.

[5] Hong-Hee Lee, Nguyen Hoang M and Chun Tae-Won,“A study on rotor FOC method using matrix converter fed induction motor with common-mode voltage reduction,”7th Internatonal Conference on Power Electronics,ICPE'07,2008:159-163.

[6] Joshi, R.R, Gupta R.A and Wadhawani A.K, “Intelligent controller for DTC controlled matrix converter cage drive system,” Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering,2008,7(1):9-16.

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