具有容錯功能的高效電機(jī)控制裝置

王 壯 李涵銳 孫祥詩 黃雪萍 烏日嘎夫 高晗瓔

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150080）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的不對稱和非線性負(fù)載出現(xiàn)，要求逆變器帶負(fù)載的能力就比較高了，但傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器在不對稱負(fù)載和非線性負(fù)載的情況下很難輸出三相對稱電壓。在傳統(tǒng)三相三橋臂逆變器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三相四橋臂逆變器,通過第四橋臂為零序電流提供通路,具有外接平衡及不平衡負(fù)載能力，因此在逆變電源，電能質(zhì)量控制等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。同樣，三相四橋臂逆變技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域中也顯示了巨大的應(yīng)用前景，其提高可靠性的能力和容錯能力已受到了國內(nèi)外專家、學(xué)者們的日益關(guān)注。另外針對傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)無傳感器控制，應(yīng)用滑?？刂撇呗跃哂锌刂菩阅芎谩Ⅳ敯粜院玫膬?yōu)點(diǎn)。本文在滑模觀測器的基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)控制，在保證系統(tǒng)擾動能力強(qiáng)的條件下，提出了一種新的模型參考自適應(yīng)速度辨識方法，減少對電動機(jī)參數(shù)的依賴，使轉(zhuǎn)速估計(jì)更加準(zhǔn)確。

1 主電路功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相四橋臂驅(qū)動永磁同步電機(jī)的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)三相三橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了一個橋臂，為不平衡負(fù)載提供了一個中性線電流通路，如圖1 所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行時通過采用有效的控制策略能夠平衡輸出和抑制干擾，在缺相的情況下由于第四橋臂與電機(jī)的中線相連，從而為中線電流提供回路，通過采用適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)控制策略仍能維持電機(jī)正常運(yùn)行。

圖1 四橋臂主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制

永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系α-β 下的數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中，iα和iβ分別為定子電流α-β 軸分量；uα和uβ分別為定子電壓α-β 軸分量；eα、eβ分別為反電動勢軸α-β分量；Ls和Rs分別為定子電感和定子電阻；Ψf為永磁體磁鏈；ωe為電機(jī)電角速度；θe為以電角度表示的轉(zhuǎn)子位置角。

選取滑模面為：

式（2）中，sα和sβ分別為α-β 軸定子電流誤差；i贊α 和i贊β分別為定子電流的估計(jì)值。

本文采用光滑連續(xù)的sigmoid 函數(shù)來構(gòu)建自適應(yīng)滑模觀測器，該sigmoid 函數(shù)為：

式（3）中：a 為一個正實(shí)數(shù)。

構(gòu)建自適應(yīng)滑模觀測器如下：

式（4）中，e贊α 和e贊β 為反電動勢估計(jì)值；k 為觀測器增益。

為使自適應(yīng)滑模觀測器穩(wěn)定，同時為獲取反電動勢的估計(jì)方程，定義李雅普諾夫函數(shù)為：

式中，eα=e贊α-eα，eβ=e贊β-eβ，η 為正系數(shù)。

對（5）式求導(dǎo)，可得：

在一個控制周期內(nèi)反電動勢緩慢變化，把它看作為常數(shù)，即：

為使觀測器穩(wěn)定，需保證

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果

電 機(jī) 的 參 數(shù) 為：Rs=2.875Ω，Ldq=8.5mH，Ln=2.3mH，ψM=0.2135Wb，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量J=0.00061kg/m2，轉(zhuǎn)子極對數(shù)Pn=4，直流母線電壓為300V，開關(guān)頻率為10KHZ。仿真時間為0.1s。

在轉(zhuǎn)速為15r/min 的前提下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖2 為空間電壓矢量調(diào)制波形，圖3 為轉(zhuǎn)子實(shí)際位置與估算位置波形，圖4 為估算的反電動勢波形。通過仿真可以看出基于本文方法得到的估計(jì)轉(zhuǎn)子位置波形都較為光滑，基本不含高頻抖振，估計(jì)反電動勢波形較為平滑。

4 結(jié)論

圖2 空間電壓矢量調(diào)制波形

圖3 轉(zhuǎn)子實(shí)際位置與估算位置波形圖

圖4 估計(jì)反電動勢波形

本文將電機(jī)三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自適應(yīng)滑模觀測器結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)容錯運(yùn)行的無感控制。通過自適應(yīng)滑模觀測器，對電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估算較精確，特別是能夠在較低速度區(qū)域很好地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際轉(zhuǎn)速。