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电阻采样电流重构在异步电机驱动器中应用
添加时间:2019-12-05
在异步电机控制系统中,要获得较好的控制性能,常需要检测相电流进行闭环控制。其常用的三相电流检测方法是在逆变器输出端或三相负载端设置三个或者至少两个电流传感器以获得三相电流信号。这两种方案缺点在于采用多个电流传感器带来的成本压力以及安装中的体积增大,难以模块化集成,尤其是对于11kW一下的小容量的变频器装置来说,若要在价格上有一定的竞争力无疑是一个极大的挑战。因此逆变器相电流重构问题的研究备受关注。随着微处理技术的快速发展,基于单电阻采样技术的相电流重构技术在满足性能要求的基础上可以很好地解决传统方案中存在的问题。该技术不需要复杂的电流检测电路,相比于传感器测量方案,单电阻电流检测电路硬件成本可降低60%以上。目前该技术已在空调,并网逆变器中应用,取得了较好的效果。
1重构技术的原理及实现难点
1.1单电阻采样的原理
本文采用的重构技术就是基于SVPWM控制方法来实现的。
如图1所示,定义每相桥臂的开关管分别为Sa,Sb,Sc,把上桥臂开关管导通时定义为状态“1”;关断时定义为状态“0”。根据三组桥臂(Sa,Sb,Sc)的通断,在180度导电方式下,那么6个开关器件就形成了8种开关模式,得到6组基本的非零空间矢量,即V1(100),V2(110),V3(010), V4(011),V5(001),V6(101)和2组零矢量V0(000),V7(111)。其中6种开关模式产生输出电压,在电机中形成相应的6种磁链矢量;
 
图1 逆变电路结构图
Fig. 1 Structure of converter circuit
2种开关模式不输出电压,不形成磁链矢量。如图2所示,对于每一个参考矢量 ,它都可以由其相邻的三个静态矢量合成,可通过8种基本的电压矢量形成任何预期的指令电压矢量[1]。基于伏秒平衡原理,给定矢量 与开关周期 的乘积等于各空间矢量电压与其作用时间乘积的和,如式1所示。
       (1)
式中, 和 为有效矢量, 为零矢量, 和 为两个有效矢量的作用时间,T0为零矢量的作用时间。
 
   图2 电压矢量图
Fig. 2 Diagram of voltage vectors
根据图2所示的电压矢量图,当6个非零矢量中任意一个作用于电机时,逆变器的直流母线电流必为电机某一相定子电流的瞬时值,idc=(ia×Sa+ib×Sb+ic×Sc)/2,如表1中所示对应关系,其中idc为直流母线电流,ia、ib、ic为定子相电流[2]。但是,每次只能知道其中的一相电流,如果想在一个开关周期内重构三相电流,则必须分时采样,忽略这两个时刻的变化,再根据三相电流之和为零,计算出第三相的值。
表1 开关状态、相电流与直流母线的关系表
Tab.1 Relationship among switching state, phase current and DC-link current
开关状态 SaSbSc idc
0 000 0
1 100 ia
2 110 -ic
3 010 ib
4 011 -ia
5 001 ic
6 101 -ib
7 111 0
 
1.2 重构技术的难点
在根据直流母线电流重构电机相电流时,由于理想开关特性和实际器件特性之间的差别。实际情况时,电动机相电流具有一定的不可观测区域,它存在于低速时指令矢量形成区域和每个扇区内基本矢量的边界区域。有效的采样必须使有效矢量的作用时间满足公式(2)[3]:
              (2)
式中Tmin包括为了防止开关管直通的死区时间tdt,开关管开通关断时的电流尖峰时间trs,以及A/D采样和保持时间tad。
                      (3)
当采用中点采样时,在三相调制下,有效矢量被分为两段,因此矢量持续作用的时间需满足公式(3),才能做到有效采样。
图3为逆变器输出电压空间矢量图中的非观测区(斜线画出的阴影和中间阴影部分),至少有一个PWM占空比间隔太短,而不能有效的测量直流母线电流。如果参考电压矢量落入这样一个非观测区域,将不能可靠的检测三相电流,因为一个或多个有效状态矢量没有作用足够长的时间,以确保准确的测量。这些非观测区围绕六个有效的电压矢量,而相应的有效电压矢量控制PWM间隔,因此在开关周期结束之前很难检测第二相相电流。
 
 
图3电压空间图中的非观测区域
Fig.3 Unobserved region in the voltage vector plane
上面分析中,是以一个开关周期中采样两次来分析的,这存在一定的分时误差。为了尽可能地减小分时采样带来的误差,还可以在一个开关周期采样4次,在前半个周期采两次,再到后半个周期采样两次,如图4所示,然后分别取两个采样的平均值。但考虑到芯片速度,本文实现在一个开关周期采样两次。
 图4 母线电流采样时刻图
Fig.4 The DC-link current sampling time
1.3 重构技术的解决方案
针对电流重构技术中的非观测区的问题的解决办法,各国学者提出了多种方法,主要有以下两种方法:利用电机参数辨识相电流;改变脉冲的方法-改变有效矢量作用时间、插入矢量或补偿矢量。其中利用电机参数辨识相电流的方法对电机参数的依耐较大,且实现起来较复杂,所以学者们多研究的是改变脉冲来解决非观测区的电流重构难点。有文献介绍提出限制矢量最小作用时间,是指当其中一个或者两个有效矢量的作用时间均小于前述最小作用时间,则相应的将矢量作用时间修正为Tmin,如下图5、图6所示。
文献[4]中介绍的方法是在一个开关周期里改变脉冲,但不改变矢量的幅值及相角,此方法适用于低调制区,尽管开关模式改变了,增加了开关次数,相应的开关损失及谐波畸变率也加大,但由于持续时间很短,这一影响可以忽略。文献[5]也遵循以移相前后合成的参考电压矢量不变的思想,其基本方法就是把占空比最大和最小的对应相的PWM波进行前后平移,以留出足够的采样时间。
文献[6]中提出的观测矢量插入法,它引入了一种特殊的开关顺序,当参考电压矢量落入一个非观测区域。在第一个开关间隔Ts1,根据基本SVPWM运算,则PWM调制算法生成一个参考电压矢量。在第二个开关间隔Ts2,可选择插入一组由[100],[010],和[001]组成的三个有效空间矢量作为观测矢量,或者第二组有效空间矢量[110],[011],和[101]也适用。这种新的算法就称为观测矢量插入法(MVIM)。从而使所有三相电流在次间隔内都是可观测的。这种方法是应用于整个矢量区域内,由于增大了开关周期,存在比较明显的电压损失。
 
(a) 高调制区矢量图
 
(b) 低调制区矢量图
图5 第一扇区不同调制度下的矢量合成图
Fig.5 Voltage vector diagram of different modulation 
in the first sector
 
(a) T1/4<Tmin
  
(b) T1/4<Tmin且 T2/4<Tmin
图6 第一扇区非观测区的修正脉冲波形
Fig.6 The pulse wave of the unobserved region in the first sector
 
2  电阻采样逆变器设计
2.1系统控制框图
逆变器系统硬件电路一般可以分成功率电路和控制电路两部分。功率电路部分由整流电路、滤波电路及三相桥式逆变电路构成;控制电路部分以XC878为核心,包括电流/电压检测模块、保护模块、显示模块。系统控制框图如图7所示。
 
图7 系统控制框图
Fig.7 The block diagram of control system
本文选用Infineon公司的8位单片机XC878作为控制系统的核心,系统主频26.7MHz[7]。包括PWM信号产生电路和异常时的过流、过热保护电路,利用单片机通用I/O口设计键盘显示电路,由显示和按键两部分组成。在本次设计中,使用XC878中的另外一个PWM单元T2CCU来调制重构的电流信号,再利用有源滤波电路滤波观测重构电流。
2.2单电阻采样电路的设计
 
图8 直流母线电流采样电路
Fig.8 Sampling circuit of DC-link current 
 
由于使用电流重构技术,直流母线电流是采用单电阻进行测量的,电阻阻值选用10mΩ,阻值很小,不影响系统工作。直流母线电流采样电路如图8所示,由于是在高压侧直流负母线上测量,所以采用线性光耦HCPL7840进行强弱电隔离,光耦的初级接受一组待测的摸拟电压信号,次级输出一对差动的电压信号。输出信号线性地跟随输入信号变化,光耦的输出信号经调理电路处理为0-5V变化的信号,送入单片机进行数字化并计算处理。
3仿真与实验研究
3.1 仿真研究
采用MATLAB软件搭建单电阻采样变频系统进行了仿真研究。在此基础上设计并实现了基于Infineon 公司的XC878的控制芯片的变频器的硬件平台。其中XC878自带的A/D转换器最快转换速率为1.5s,而系统中的控制周期为500s。仿真及实验中使用三相鼠笼型异步电机的参数如下:额定功率Pn=0.75kW,极对数nP=2,额定转速n=1390r/min。
MATLAB的仿真结果如图9 所示。图9a、9b 分别为不限制最小矢量作用时间情况下、限制最小矢量作用时间情况下的重构的三相电流波形(开环控制条件下,未做死区补偿)和扇区跳变波形,图a中母线电流采样后重构的三相电流波形在扇区间的交界处出现较大的毛刺,这是由于直流母线电流采样作用时间小于Tmin 引起的,图b则解决了该处问题,与理论分析一致。
 
(a)重构电流与扇区波形
 
(b) 重构电流与扇区波形
图9 仿真结果图
3.2 实验验证
实验结果如图10所示。图10a为重构电流与实际电流稳态时的波形展开对比图,图10b为重构电流与实际电流瞬态时的波形对比。图中实际电流用电流霍尔传感器测得并通过示波器观测,重构电流通过PWM口调制输出经滤波观测所得。可见重构得到的电流波形与实测波形基本一致,这表明重构技术有效。
 
 
(a)重构与实际电流波形
 
(b)重构与实际电流波形
图10 实验结果图
Fig.10 The diagram of experiment results
4 结论
本文对异步电机驱动器相电流的重构问题进行了研究分析,针对空间电压矢量调制中的非观测区域问题,采用了单片机易于实现的方法,仿真和实验结果表明重构的相电流具有较高精度,验证了提出的重构算法。该方案可降低系统体积,具有很高的实用价值。
参考文献
[1] Bin Wu.大功率变频器及交流传动.机械工业出版社,2007.8
[2]T.G.Habetler and D.M.Divan. Control strategies for direct torque control using discrete pulse modulation. in Proc. IEEE/IAS 1989 Annu.Meeting, 1989, pp. 514–522.
[3]Francesco Parasiliti, Roberto Petrella, Marco Tursini.Low Cost Phase Current Sensing in DSP Based AC Drives.Proceedings of the IEEE International Symposium, 1999
[4]W. C. Lee and T. K. Lee, “A novel control of three-phase PWM rectifier using single current swensor,” in Proc. IEEE PESC’99, vol. 6, 1999, pp.
[5] 储剑波,胡育文,黄文新,杨建飞.一种变频器相电流采样重构技术.电工技术学报.2010. 25(1):111-117
[6] Hongrae kim and Thomas M. Jahns,“ Current control for AC Motor Drives Using a DC Link Current Sensor and Measurement Voltage Vectors,” in Proc. IAS’96, 2005, pp. 759-765.
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