1 引言
三相感應(yīng)電機(jī)的磁場(chǎng)定向是矢量控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，只有準(zhǔn)確觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁通矢量的位置和幅值，才能將定子電流矢量變換到沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁通的矢量控制[1][2]。
在進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)時(shí)，輸出電壓參數(shù)必不可少，由于電壓傳感元件成本高，因此大多采用直流母線電壓和開關(guān)管狀態(tài)來估計(jì)輸出電壓。但是由于死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)管非線性影響，必然導(dǎo)致輸出電壓估計(jì)不準(zhǔn)，從而影響磁鏈觀測(cè)精度。因此，本文在分析輸出電壓估計(jì)過程基礎(chǔ)上，著重研究影響輸出電壓估計(jì)誤差的因素。
2 輸出電壓估計(jì)[3]
三相電機(jī)的相電壓(van,vbn,vcn)可由直流母線電壓(vdc)與逆變器的三個(gè)上開關(guān)管函數(shù)(t1,t3,t5)計(jì)算得出，系統(tǒng)如圖1所示。
電動(dòng)機(jī)三相電壓可表示為:
將式(1)相加得:
由于電機(jī)接成三相制無中線且三相繞組對(duì)稱，則
代入式(2)有
因此，電機(jī)中點(diǎn)電壓可由式(2)，(3)得
則可得各相相電壓為
而va,vb,vc和直流母線電壓(vdc)與逆變器的三個(gè)上開關(guān)管函數(shù)(
)關(guān)系為
其中t1、t3、t5表示對(duì)應(yīng)開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期ts內(nèi)的瞬時(shí)給定相電壓占空比。由式(5)，(6)可得
3 輸出電壓估計(jì)的影響因素
式(7)為輸出電壓估計(jì)的理想情況，由于開關(guān)管為非理想器件，因此人為設(shè)定的死區(qū)時(shí)間td、開關(guān)器件的開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff以及器件的導(dǎo)通壓降都會(huì)造成輸出電壓估計(jì)不準(zhǔn)，如圖2所示。
圖1 電壓源逆變器主電路圖
由圖1所示，當(dāng)電流流向負(fù)載，上管導(dǎo)通時(shí)存在開關(guān)器件導(dǎo)通壓降vsat，下管續(xù)流時(shí)存在二極管導(dǎo)通壓降vd。由圖2(b)、(c)和(d)可知，假設(shè)對(duì)輸出電壓誤差進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，則根據(jù)參考電壓伏秒面積等于補(bǔ)償后電壓伏秒面積原則，可以推導(dǎo)出a相誤差電壓為[4][5]:
式中: vsat—開關(guān)器件導(dǎo)通壓降;
vd—二極管導(dǎo)通壓降;
ts—開關(guān)周期。
同理，當(dāng)電流由負(fù)載流向電源時(shí)，可以求出
因此，可得a相電壓為:
式中，sign為輸出電流的符號(hào)函數(shù)。
為了減小輸出電壓誤差，因此可以加入與誤差電壓相當(dāng)?shù)难a(bǔ)償項(xiàng)γ×δv，則
同理，b相電壓為
c相電壓為
其中γ(0≤γ≤1)表示誤差電壓補(bǔ)償系數(shù)。由式(8)、(9)、(10)可知，當(dāng)開關(guān)周期固定，直流母線電壓為恒值時(shí)，輸出電壓估計(jì)誤差隨著死區(qū)時(shí)間的增大而增大，而與開關(guān)器件的非線性關(guān)系則是相對(duì)固定的。因此通過適當(dāng)加入補(bǔ)償項(xiàng)，可以減小輸出電壓估計(jì)誤差。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在上述理論分析基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于以數(shù)字信號(hào)處理器tms320f240為核心的矢量控制系統(tǒng)中，制作了一臺(tái)樣機(jī)。電機(jī)參數(shù)如下:
igbt型號(hào)為bsm35gd120dn2，典型開通時(shí)間為120ns，關(guān)斷時(shí)間為450ns，vsat為2.7v，vd為2.3v。
圖3是誤差電壓補(bǔ)償系數(shù)γ=0.85時(shí)，串行d/a經(jīng)濾波后的靜止坐標(biāo)系α、β軸輸出電壓估計(jì)波形，由于表示α、β軸輸出電壓分量的兩路d/a電路參數(shù)存在不一致現(xiàn)象，因此輸出電壓幅值略有不同。
圖3 50hz穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓補(bǔ)償后的估計(jì)波形(γ=0.85)
圖4為設(shè)定死區(qū)時(shí)間td=5μs不變，只改變?chǔ)弥颠M(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線(順序由下至上依次為曲線①②③④)，橫坐標(biāo)為輸出頻率，縱坐標(biāo)為輸出電壓幅值誤差占參考輸出電壓幅值的比例，參考輸出電壓由實(shí)測(cè)的定子電壓獲得。曲線①、②、③、④分別表示γ=0.85，γ=0.5，γ=1和γ=0時(shí)的輸出電壓情況。由圖4可見，曲線④是完全沒有補(bǔ)償?shù)那闆r，輸出電壓估計(jì)誤差較大;曲線③是補(bǔ)償系數(shù)最大的情況，這是由于補(bǔ)償過度而造成的輸出電壓估計(jì)誤差較大;曲線①是誤差較小的情況，說明在相同的死區(qū)時(shí)間條件下，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償系數(shù)可以減小輸出電壓估計(jì)誤差。
圖4 不同γ值時(shí)的輸出電壓估計(jì)誤差曲線
5 結(jié)束語
通過理論分析與實(shí)驗(yàn)可知，利用直流母線電壓和三相逆變器開關(guān)管狀態(tài)可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行估計(jì)，但易受開關(guān)管非線性特性和死區(qū)效應(yīng)的影響，而導(dǎo)致輸出電壓估計(jì)出現(xiàn)誤差，因此必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得較好的估計(jì)結(jié)果。
：鞏經(jīng)理
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