基于最大功率的VSI泄放電阻制動技術及應用

摘要：電阻制動由于簡單實用且成本低，在中小型功率等級電壓源逆變器(VSI)電路的直流母線泵升電壓控制中廣泛使用。提出一種新的制動控制方法，該方法充分考慮了直流母線電壓限制的需求，同時也考慮了制動電阻的最大功率和沖擊時間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯合設計，實現了制動電阻的優化泄放控制。通過基于TMS320F28335的浮點DSP控制平臺，用永磁同步電機(PMSM)的弱磁失控等實驗驗證了該制動方法的有效性和實用性。
關鍵詞：逆變器；制動電阻；弱磁失控

1 引言
基于VSI的交流電機驅動控制系統在現代電氣傳動領域得到廣泛應用。在電機驅動控制應用中，當電機處于減速制動狀態時，VSI的直流母線電壓會升高，若不加以控制，則可能超過直流母線電容或功率器件的最大耐壓，導致硬件損毀。因此，直流母線泵生電壓的抑制對于VSI的可靠工作非常重要。目前，較先進但昂貴的方法是采用PWM整流器方式為VSI提供直流方式供電，當電機工作于制動回饋狀態時，直流母線電壓將升高，PWM整流器自動將能量回饋至電網。但由于其成本較高，僅適合于對成本不敏感的高端應用場合。在中低端的驅動控制領域。還有很多驅動器是基于整流橋方式，可通過降低轉矩電流變化率來降低直流母線的泵升電壓，或通過直流母線電壓限制閉環控制來自適應降低轉矩電流的方案。這兩種方案雖然可限制直流母線電壓，但卻犧牲了轉矩的動態控制性能，而且對于PMSM在高速弱磁狀態下發生失控，反電動勢瞬時反彈的場合也并不適用。另外一種在中小功率逆變器驅動中簡單常見的方案是安裝制動電阻。目前大多數產品的控制方法主要是簡單的硬件滯環比較控制方式，當電壓高于設定泄放導通電壓時，通過制動電阻泄放，當低于設定泄放關閉電壓時，停止泄放。該控制方法過于簡單，改變硬件參數復雜，容易發生故障并燒壞制動電阻。
針對使用制動電阻的實際泄放需求，提出一種新的基于軟件方案的制動電阻控制策略。該控制技術充分考慮了制動電阻的額定功率、使用率、電阻值及最大允許沖擊時間。通過軟件來配置工作參數，該技術可有效地實現優化的直流母線電壓泄放控制，并在基于TMS320F28335的32位浮點DSP電機驅動控制系統中得到了驗證和應用。

2 制動優化控制技術原理
在此根據制動需求，首先考慮制動電阻參數和工作參數，并在此基礎上提出一種基于最大功率和沖擊時間限制的優化泄放技術。
2．1 制動泄放控制相關參數
為控制直流母線電壓的泵升，將制動電阻本體和制動泄放工作點兩個方面的參數作為系統控制參數輸入。制動電阻本體參數包括制動電阻阻值、額定功率以及短時抗沖擊允許時間。另外，在實際使用中，為提高可靠性，制動電阻的使用需要考慮降額率，以避免制動電阻過熱而損壞。制動泄放工作點參數包括直流母線電壓啟動泄放工作點電壓和電壓滯環值。當直流母線電壓大于泄放工作點電壓與電壓滯環值之和時，電壓泄放電路工作；當直流母線電壓小于泄放工作點電壓與電壓滯環值之差時，電壓泄放電路停止工作。通過設置電壓滯環，避免制動電路在瀉放工作點反復跳轉。
2．2 制動電阻優化泄放控制技術
制動電阻優化泄放控制技術的核心思想是充分利用制動電阻的最大泄放能力，快速、安全地控制直流母線電壓泵升。如圖1所示，直流母線電壓可通過電壓傳感器測量得到，結合當前制動PWM占空比和制動電阻阻值信息，可計算得到制動電阻的瞬時功率，通過低通平滑處理，可得到制動電阻的平均功率，作為功率反饋，與設定的制動電阻允許最大功率比較。當平均功率小于最大功率，按Bang-Bang方式控制制動，這樣允許在短時間內進行大電流放電處理。當制動反饋功率達到設定的最大功率時，自動調節以占空比方式實施制動泄放。由于同時考慮直流母線泵升電壓和制動電阻功率的限制，實現了制動泄放的優化控制。

2．2．1 制動電阻的功率計算
設制動電阻為R，PWM制動占空比D∈[0，1]，直流母線電壓測量值為Udc，則R消耗的瞬時功率P=(UdcD)2／R。R一般具有抗沖擊能力，允許短時過載運行。利用抗沖擊時間，將P通過時間常數為τ的一階低通濾波器(LPF)，可近似認為該LPF的輸出為R的平均功率。一階LPF的傳遞函數為：x=u／(τs+1)，τ一般可選擇為1／3的制動電阻允許沖擊時間。