相电压重构方法在异步电机上的应用

作者：时间：2017-03-10来源：电子产品世界收藏

　　引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/345091.htm

　　随着科技的发展，新能源产业得到了世界各国的大力推广，作为该产业中的重要组成部分，电机驱动受到了广大学者的关注[1,2]。异步电机具有高效、节能、可靠性好、成本低等优点，被广泛应用于工业、农业、军事等各领域。由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此上个世纪60年代出现了矢量控制，实现了异步电机的解耦控制[3,4]。对于一些精度要求不高的场合，矢量控制中采用速度传感器会增加成本，因此采用无速度传感方式的矢量控制可很大程度上降低开发成本。采用电压模型法的无速度传感方式具有良好的性能[5]，但因为需要采集三相电压，很大程度上增加了成本和硬件电路的复杂程度。因此，本文采用电压重构的方法，利用母线电压和三相PWM占空比构造三相电压，以此进行磁链和速度的估算，仿真和实验结果表明了该方法具有较好的实用性。

　　1三相电压重构原理

　　电机逆变器结构图如图1所示，设异步电机三相电压为Van，Vbn，Vcn，电机中心点电压为Vn。

　　图1.电机逆变器结构图

　　电机三相电压可以表示为：

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　　其中R为定子电阻，L为定子电感，ea、eb、ec为三相反电势。

　　当采用三线制接法时，三相电流和、电势和为零，因此将三相电压相加可得

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　　由结构图可知，Va，Vb，Va可以由直流母线电压Udc与VT1，VT3，VT5开关函数Da，Db，Dc构造而来，其具体表示为

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　　2 SVPWM调制下占空比的计算方法

　　2.1 扇区判断

　　由参考文献[6]可知，合成电压空间矢量的两个有效矢量T1，T2和零矢量T0的作用时间位为

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　　本文采用7段式PWM波控制方式，传统的扇区计算需要用到三角函数公式，导致软件处理时花费大量的时间，本文采用新型的扇区判断方式，使计算更为简便，具体的计算方法如下。将电流经过处理后得到α轴和β下的电压分量Vα和Vβ，由图2可知三个基本电压Ua，Ub，Uc 为

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　　图2. 电压Ua，Ub，Uc对应扇区

　　因此，可以根据Ua，Ub，Uc的大小关系即可判断矢量所处扇区，如表1所示

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　　2.2 PWM占空比及三相电压计算

　　以第一扇区为例，如图所示

　　图3.第一扇区矢量合成图

　　根据正弦定理可得

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　　根据七段式PWM波，可计算得到各矢量切换点为

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　　3仿真及实验

　　为了验证理论分析的正确性，搭建了Matlab/Sinmulink仿真模型，采用电压模型法的无位置矢量控制方式，以一台三相异步电机为控制对象，进行了仿真验证。PWM频率设置为5K，周期为0.0002s。仿真结果如图所示，图4为A相占空比对应的马鞍波形，图5为电机输出端电压经过Clarke变换之后的波形，图6为重构后得到的相电压经过Clarke变换之后的波形，从图中可以看出定子相电压实际输出波形为阶梯波，重构得到的电压为正弦波，两者具有相同的相位与有效值。

　　图4. 上桥臂占空比

　　图5.实际测量相电压clarke变换输出

　　图6.重构后相电压clarke变换输出

　　4 试验结果

　　为了验证理论分析正确性以及系统方案的可行性，基于TI DSP28069搭建了电机控制平台，利用相电压重构方法，结合异步电机无位置传感方案，进行了实验验证。其中图7为电机启动电流波形，图8为电机运行由空载到额定负载电流变换波形，图9为电机稳定时电流波形，从图中可以看出，采用电压重构方法对异步电机进行无位置传感控制，可以实现对电机启动，突加负载等控制，能够保证电机控制的良好动态性能。