基于最大功率的VSI泄放電阻制動(dòng)技術(shù)及應用

摘要：電阻制動(dòng)由于簡(jiǎn)單實(shí)用且成本低，在中小型功率等級電壓源逆變器(VSI)電路的直流母線(xiàn)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(xiàn)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(guò)電壓因子通道和功率因子通道的聯(lián)合設計，實(shí)現了制動(dòng)電阻的優(yōu)化泄放控制。通過(guò)基于TMS320F28335的浮點(diǎn)DSP控制平臺，用永磁同步電機(PMSM)的弱磁失控等實(shí)驗驗證了該制動(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的交流電機驅動(dòng)控制系統在現代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應用。在電機驅動(dòng)控制應用中，當電機處于減速制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，VSI的直流母線(xiàn)電壓會(huì )升高，若不加以控制，則可能超過(guò)直流母線(xiàn)電容或功率器件的最大耐壓，導致硬件損毀。因此，直流母線(xiàn)泵生電壓的抑制對于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，當電機工作于制動(dòng)回饋狀態(tài)時(shí)，直流母線(xiàn)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，僅適合于對成本不敏感的高端應用場(chǎng)合。在中低端的驅動(dòng)控制領(lǐng)域。還有很多驅動(dòng)器是基于整流橋方式，可通過(guò)降低轉矩電流變化率來(lái)降低直流母線(xiàn)的泵升電壓，或通過(guò)直流母線(xiàn)電壓限制閉環(huán)控制來(lái)自適應降低轉矩電流的方案。這兩種方案雖然可限制直流母線(xiàn)電壓，但卻犧牲了轉矩的動(dòng)態(tài)控制性能，而且對于PMSM在高速弱磁狀態(tài)下發(fā)生失控，反電動(dòng)勢瞬時(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動(dòng)中簡(jiǎn)單常見(jiàn)的方案是安裝制動(dòng)電阻。目前大多數產(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，當電壓高于設定泄放導通電壓時(shí)，通過(guò)制動(dòng)電阻泄放，當低于設定泄放關(guān)閉電壓時(shí)，停止泄放。該控制方法過(guò)于簡(jiǎn)單，改變硬件參數復雜，容易發(fā)生故障并燒壞制動(dòng)電阻。
針對使用制動(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(guò)軟件來(lái)配置工作參數，該技術(shù)可有效地實(shí)現優(yōu)化的直流母線(xiàn)電壓泄放控制，并在基于TMS320F28335的32位浮點(diǎn)DSP電機驅動(dòng)控制系統中得到了驗證和應用。

2 制動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)原理
在此根據制動(dòng)需求，首先考慮制動(dòng)電阻參數和工作參數，并在此基礎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
為控制直流母線(xiàn)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)方面的參數作為系統控制參數輸入。制動(dòng)電阻本體參數包括制動(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(guò)熱而損壞。制動(dòng)泄放工作點(diǎn)參數包括直流母線(xiàn)電壓?jiǎn)?dòng)泄放工作點(diǎn)電壓和電壓滯環(huán)值。當直流母線(xiàn)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；當直流母線(xiàn)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(guò)設置電壓滯環(huán)，避免制動(dòng)電路在瀉放工作點(diǎn)反復跳轉。
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(xiàn)電壓泵升。如圖1所示，直流母線(xiàn)電壓可通過(guò)電壓傳感器測量得到，結合當前制動(dòng)PWM占空比和制動(dòng)電阻阻值信息，可計算得到制動(dòng)電阻的瞬時(shí)功率，通過(guò)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，與設定的制動(dòng)電阻允許最大功率比較。當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)間內進(jìn)行大電流放電處理。當制動(dòng)反饋功率達到設定的最大功率時(shí)，自動(dòng)調節以占空比方式實(shí)施制動(dòng)泄放。由于同時(shí)考慮直流母線(xiàn)泵升電壓和制動(dòng)電阻功率的限制，實(shí)現了制動(dòng)泄放的優(yōu)化控制。

2．2．1 制動(dòng)電阻的功率計算
設制動(dòng)電阻為R，PWM制動(dòng)占空比D∈[0，1]，直流母線(xiàn)電壓測量值為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(guò)載運行。利用抗沖擊時(shí)間，將P通過(guò)時(shí)間常數為τ的一階低通濾波器(LPF)，可近似認為該LPF的輸出為R的平均功率。一階LPF的傳遞函數為：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。