相電壓重構(gòu)方法在異步電機(jī)上的應(yīng)用

　　引言

　　隨著科技的發(fā)展，新能源產(chǎn)業(yè)得到了世界各國(guó)的大力推廣，作為該產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注[1,2]。異步電機(jī)具有高效、節(jié)能、可靠性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等各領(lǐng)域。由于異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，因此上個(gè)世紀(jì)60年代出現(xiàn)了矢量控制，實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的解耦控制[3,4]。對(duì)于一些精度要求不高的場(chǎng)合，矢量控制中采用速度傳感器會(huì)增加成本，因此采用無(wú)速度傳感方式的矢量控制可很大程度上降低開發(fā)成本。采用電壓模型法的無(wú)速度傳感方式具有良好的性能[5]，但因?yàn)樾枰杉嚯妷?，很大程度上增加了成本和硬件電路的?fù)雜程度。因此，本文采用電壓重構(gòu)的方法，利用母線電壓和三相PWM占空比構(gòu)造三相電壓，以此進(jìn)行磁鏈和速度的估算，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法具有較好的實(shí)用性。

　　1三相電壓重構(gòu)原理

　　電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，設(shè)異步電機(jī)三相電壓為Van，Vbn，Vcn，電機(jī)中心點(diǎn)電壓為Vn。

　　圖1.電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)圖

　　電機(jī)三相電壓可以表示為：

　　其中R為定子電阻，L為定子電感，ea、eb、ec為三相反電勢(shì)。

　　當(dāng)采用三線制接法時(shí)，三相電流和、電勢(shì)和為零，因此將三相電壓相加可得

　　由結(jié)構(gòu)圖可知，Va，Vb，Va可以由直流母線電壓Udc與VT1，VT3，VT5開關(guān)函數(shù)Da，Db，Dc構(gòu)造而來(lái)，其具體表示為

　　2 SVPWM調(diào)制下占空比的計(jì)算方法

　　2.1 扇區(qū)判斷

　　由參考文獻(xiàn)[6]可知，合成電壓空間矢量的兩個(gè)有效矢量T1，T2和零矢量T0的作用時(shí)間位為

　　本文采用7段式PWM波控制方式，傳統(tǒng)的扇區(qū)計(jì)算需要用到三角函數(shù)公式，導(dǎo)致軟件處理時(shí)花費(fèi)大量的時(shí)間，本文采用新型的扇區(qū)判斷方式，使計(jì)算更為簡(jiǎn)便，具體的計(jì)算方法如下。將電流經(jīng)過(guò)處理后得到α軸和β下的電壓分量Vα和Vβ，由圖2可知三個(gè)基本電壓Ua，Ub，Uc 為

　　圖2. 電壓Ua，Ub，Uc對(duì)應(yīng)扇區(qū)

　　因此，可以根據(jù)Ua，Ub，Uc的大小關(guān)系即可判斷矢量所處扇區(qū)，如表1所示

　　2.2 PWM占空比及三相電壓計(jì)算

　　以第一扇區(qū)為例，如圖所示

　　圖3.第一扇區(qū)矢量合成圖

　　根據(jù)正弦定理可得

　　根據(jù)七段式PWM波，可計(jì)算得到各矢量切換點(diǎn)為

　　3仿真及實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證理論分析的正確性，搭建了Matlab/Sinmulink仿真模型，采用電壓模型法的無(wú)位置矢量控制方式，以一臺(tái)三相異步電機(jī)為控制對(duì)象，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。PWM頻率設(shè)置為5K，周期為0.0002s。仿真結(jié)果如圖所示，圖4為A相占空比對(duì)應(yīng)的馬鞍波形，圖5為電機(jī)輸出端電壓經(jīng)過(guò)Clarke變換之后的波形，圖6為重構(gòu)后得到的相電壓經(jīng)過(guò)Clarke變換之后的波形，從圖中可以看出定子相電壓實(shí)際輸出波形為階梯波，重構(gòu)得到的電壓為正弦波，兩者具有相同的相位與有效值。

　　圖4. 上橋臂占空比

　　圖5.實(shí)際測(cè)量相電壓clarke變換輸出

　　圖6.重構(gòu)后相電壓clarke變換輸出

　　4 試驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證理論分析正確性以及系統(tǒng)方案的可行性，基于TI DSP28069搭建了電機(jī)控制平臺(tái)，利用相電壓重構(gòu)方法，結(jié)合異步電機(jī)無(wú)位置傳感方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中圖7為電機(jī)啟動(dòng)電流波形，圖8為電機(jī)運(yùn)行由空載到額定負(fù)載電流變換波形，圖9為電機(jī)穩(wěn)定時(shí)電流波形，從圖中可以看出，采用電壓重構(gòu)方法對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行無(wú)位置傳感控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)，突加負(fù)載等控制，能夠保證電機(jī)控制的良好動(dòng)態(tài)性能。

 圖7. 電機(jī)啟動(dòng)電流波形(2A/格)

　　圖8.負(fù)載突變電流波形(10A/格)

　　圖9.穩(wěn)定運(yùn)行電流波形(10A/格)

　　5結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)三相電壓重構(gòu)方法的推導(dǎo)分析，結(jié)合SVPWM調(diào)制方式，給出了三相電壓重構(gòu)在異步電機(jī)無(wú)位置矢量控制方式上的應(yīng)用，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

　　1)利用三相電壓重構(gòu)方式結(jié)合無(wú)位置傳感方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制，很大程度上降低了硬件成本和復(fù)雜度。

　　2)本文涉及到的SVPWM調(diào)制中，扇區(qū)判斷方法更為簡(jiǎn)便無(wú)需復(fù)雜的三角函數(shù)計(jì)算，降低了軟件復(fù)雜度。

        作者：

　　沈風(fēng)1 唐建勛2

　　1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司(安徽 合肥 23006)

　　2.合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份有限公司(安徽 合肥 230012)