基于最大功率的VSI泄放電阻制動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

摘要：電阻制動(dòng)由于簡(jiǎn)單實(shí)用且成本低，在中小型功率等級(jí)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(dòng)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(shí)也考慮了制動(dòng)電阻的最大功率和沖擊時(shí)間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)電阻的優(yōu)化泄放控制。通過基于TMS320F28335的浮點(diǎn)DSP控制平臺(tái)，用永磁同步電機(jī)(PMSM)的弱磁失控等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該制動(dòng)方法的有效性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：逆變器；制動(dòng)電阻；弱磁失控

1 引言
基于VSI的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)處于減速制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，VSI的直流母線電壓會(huì)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(dǎo)致硬件損毀。因此，直流母線泵生電壓的抑制對(duì)于VSI的可靠工作非常重要。目前，較先進(jìn)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(dāng)電機(jī)工作于制動(dòng)回饋狀態(tài)時(shí)，直流母線電壓將升高，PWM整流器自動(dòng)將能量回饋至電網(wǎng)。但由于其成本較高，僅適合于對(duì)成本不敏感的高端應(yīng)用場(chǎng)合。在中低端的驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域。還有很多驅(qū)動(dòng)器是基于整流橋方式，可通過降低轉(zhuǎn)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(huán)控制來自適應(yīng)降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制性能，而且對(duì)于PMSM在高速弱磁狀態(tài)下發(fā)生失控，反電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)反彈的場(chǎng)合也并不適用。另外一種在中小功率逆變器驅(qū)動(dòng)中簡(jiǎn)單常見的方案是安裝制動(dòng)電阻。目前大多數(shù)產(chǎn)品的控制方法主要是簡(jiǎn)單的硬件滯環(huán)比較控制方式，當(dāng)電壓高于設(shè)定泄放導(dǎo)通電壓時(shí)，通過制動(dòng)電阻泄放，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定泄放關(guān)閉電壓時(shí)，停止泄放。該控制方法過于簡(jiǎn)單，改變硬件參數(shù)復(fù)雜，容易發(fā)生故障并燒壞制動(dòng)電阻。
針對(duì)使用制動(dòng)電阻的實(shí)際泄放需求，提出一種新的基于軟件方案的制動(dòng)電阻控制策略。該控制技術(shù)充分考慮了制動(dòng)電阻的額定功率、使用率、電阻值及最大允許沖擊時(shí)間。通過軟件來配置工作參數(shù)，該技術(shù)可有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的直流母線電壓泄放控制，并在基于TMS320F28335的32位浮點(diǎn)DSP電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證和應(yīng)用。

2 制動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)原理
在此根據(jù)制動(dòng)需求，首先考慮制動(dòng)電阻參數(shù)和工作參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于最大功率和沖擊時(shí)間限制的優(yōu)化泄放技術(shù)。
2．1 制動(dòng)泄放控制相關(guān)參數(shù)
為控制直流母線電壓的泵升，將制動(dòng)電阻本體和制動(dòng)泄放工作點(diǎn)兩個(gè)方面的參數(shù)作為系統(tǒng)控制參數(shù)輸入。制動(dòng)電阻本體參數(shù)包括制動(dòng)電阻阻值、額定功率以及短時(shí)抗沖擊允許時(shí)間。另外，在實(shí)際使用中，為提高可靠性，制動(dòng)電阻的使用需要考慮降額率，以避免制動(dòng)電阻過熱而損壞。制動(dòng)泄放工作點(diǎn)參數(shù)包括直流母線電壓?jiǎn)?dòng)泄放工作點(diǎn)電壓和電壓滯環(huán)值。當(dāng)直流母線電壓大于泄放工作點(diǎn)電壓與電壓滯環(huán)值之和時(shí)，電壓泄放電路工作；當(dāng)直流母線電壓小于泄放工作點(diǎn)電壓與電壓滯環(huán)值之差時(shí)，電壓泄放電路停止工作。通過設(shè)置電壓滯環(huán)，避免制動(dòng)電路在瀉放工作點(diǎn)反復(fù)跳轉(zhuǎn)。
2．2 制動(dòng)電阻優(yōu)化泄放控制技術(shù)
制動(dòng)電阻優(yōu)化泄放控制技術(shù)的核心思想是充分利用制動(dòng)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(cè)量得到，結(jié)合當(dāng)前制動(dòng)PWM占空比和制動(dòng)電阻阻值信息，可計(jì)算得到制動(dòng)電阻的瞬時(shí)功率，通過低通平滑處理，可得到制動(dòng)電阻的平均功率，作為功率反饋，與設(shè)定的制動(dòng)電阻允許最大功率比較。當(dāng)平均功率小于最大功率，按Bang-Bang方式控制制動(dòng)，這樣允許在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大電流放電處理。當(dāng)制動(dòng)反饋功率達(dá)到設(shè)定的最大功率時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)以占空比方式實(shí)施制動(dòng)泄放。由于同時(shí)考慮直流母線泵升電壓和制動(dòng)電阻功率的限制，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)泄放的優(yōu)化控制。

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