相電壓重構方法在異步電機上的應用

　　引言

　　隨著科技的發展，新能源產業得到了世界各國的大力推廣，作為該產業中的重要組成部分，電機驅動受到了廣大學者的關注[1,2]。異步電機具有高效、節能、可靠性好、成本低等優點，被廣泛應用于工業、農業、軍事等各領域。由于異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，因此上個世紀60年代出現了矢量控制，實現了異步電機的解耦控制[3,4]。對于一些精度要求不高的場合，矢量控制中采用速度傳感器會增加成本，因此采用無速度傳感方式的矢量控制可很大程度上降低開發成本。采用電壓模型法的無速度傳感方式具有良好的性能[5]，但因為需要采集三相電壓，很大程度上增加了成本和硬件電路的復雜程度。因此，本文采用電壓重構的方法，利用母線電壓和三相PWM占空比構造三相電壓，以此進行磁鏈和速度的估算，仿真和實驗結果表明了該方法具有較好的實用性。

　　1三相電壓重構原理

　　電機逆變器結構圖如圖1所示，設異步電機三相電壓為Van，Vbn，Vcn，電機中心點電壓為Vn。

　　圖1.電機逆變器結構圖

　　電機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。

　　當采用三線制接法時，三相電流和、電勢和為零，因此將三相電壓相加可得

　　由結構圖可知，Va，Vb，Va可以由直流母線電壓Udc與VT1，VT3，VT5開關函數Da，Db，Dc構造而來，其具體表示為

　　2 SVPWM調制下占空比的計算方法

　　2.1 扇區判斷

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

　　本文采用7段式PWM波控制方式，傳統的扇區計算需要用到三角函數公式，導致軟件處理時花費大量的時間，本文采用新型的扇區判斷方式，使計算更為簡便，具體的計算方法如下。將電流經過處理后得到α軸和β下的電壓分量Vα和Vβ，由圖2可知三個基本電壓Ua，Ub，Uc 為

　　圖2. 電壓Ua，Ub，Uc對應扇區

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

　　2.2 PWM占空比及三相電壓計算

　　以第一扇區為例，如圖所示

　　圖3.第一扇區矢量合成圖

　　根據正弦定理可得

　　根據七段式PWM波，可計算得到各矢量切換點為

　　3仿真及實驗

　　為了驗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位置矢量控制方式，以一臺三相異步電機為控制對象，進行了仿真驗證。PWM頻率設置為5K，周期為0.0002s。仿真結果如圖所示，圖4為A相占空比對應的馬鞍波形，圖5為電機輸出端電壓經過Clarke變換之后的波形，圖6為重構后得到的相電壓經過Clarke變換之后的波形，從圖中可以看出定子相電壓實際輸出波形為階梯波，重構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.實際測量相電壓clarke變換輸出

　　圖6.重構后相電壓clarke變換輸出

　　4 試驗結果

　　為了驗證理論分析正確性以及系統方案的可行性，基于TI DSP28069搭建了電機控制平臺，利用相電壓重構方法，結合異步電機無位置傳感方案，進行了實驗驗證。其中圖7為電機啟動電流波形，圖8為電機運行由空載到額定負載電流變換波形，圖9為電機穩定時電流波形，從圖中可以看出，采用電壓重構方法對異步電機進行無位置傳感控制，可以實現對電機啟動，突加負載等控制，能夠保證電機控制的良好動態性能。

 圖7. 電機啟動電流波形(2A/格)

　　圖8.負載突變電流波形(10A/格)

　　圖9.穩定運行電流波形(10A/格)

　　5結論

　　通過對三相電壓重構方法的推導分析，結合SVPWM調制方式，給出了三相電壓重構在異步電機無位置矢量控制方式上的應用，仿真和實驗驗證了該方法的正確性和可行性。可得出以下結論：

　　1)利用三相電壓重構方式結合無位置傳感方式，可實現對異步電機的控制，很大程度上降低了硬件成本和復雜度。

　　2)本文涉及到的SVPWM調制中，扇區判斷方法更為簡便無需復雜的三角函數計算，降低了軟件復雜度。

        作者：

　　沈風1 唐建勛2

　　1. 國網安徽省電力公司檢修公司(安徽 合肥 23006)

　　2.合肥國軒高科動力能源股份有限公司(安徽 合肥 230012)