基于最大功率的VSI泄放電阻制動技術及應用

摘要：電阻制動由于簡單實用且成本低，在中小型功率等級電壓源逆變器(VSI)電路的直流母線泵升電壓控制中廣泛使用。提出一種新的制動控制方法，該方法充分考慮了直流母線電壓限制的需求，同時也考慮了制動電阻的最大功率和沖擊時間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯(lián)合設計，實現(xiàn)了制動電阻的優(yōu)化泄放控制。通過基于TMS320F28335的浮點DSP控制平臺，用永磁同步電機(PMSM)的弱磁失控等實驗驗證了該制動方法的有效性和實用性。
關鍵詞：逆變器；制動電阻；弱磁失控

1 引言
基于VSI的交流電機驅動控制系統(tǒng)在現(xiàn)代電氣傳動領域得到廣泛應用。在電機驅動控制應用中，當電機處于減速制動狀態(tài)時，VSI的直流母線電壓會升高，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，導致硬件損毀。因此，直流母線泵生電壓的抑制對于VSI的可靠工作非常重要。目前，較先進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，當電機工作于制動回饋狀態(tài)時，直流母線電壓將升高，PWM整流器自動將能量回饋至電網(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合。在中低端的驅動控制領域。還有很多驅動器是基于整流橋方式，可通過降低轉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)控制來自適應降低轉矩電流的方案。這兩種方案雖然可限制直流母線電壓，但卻犧牲了轉矩的動態(tài)控制性能，而且對于PMSM在高速弱磁狀態(tài)下發(fā)生失控，反電動勢瞬時反彈的場合也并不適用。另外一種在中小功率逆變器驅動中簡單常見的方案是安裝制動電阻。目前大多數(shù)產品的控制方法主要是簡單的硬件滯環(huán)比較控制方式，當電壓高于設定泄放導通電壓時，通過制動電阻泄放，當?shù)陀谠O定泄放關閉電壓時，停止泄放。該控制方法過于簡單，改變硬件參數(shù)復雜，容易發(fā)生故障并燒壞制動電阻。
針對使用制動電阻的實際泄放需求，提出一種新的基于軟件方案的制動電阻控制策略。該控制技術充分考慮了制動電阻的額定功率、使用率、電阻值及最大允許沖擊時間。通過軟件來配置工作參數(shù)，該技術可有效地實現(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DSP電機驅動控制系統(tǒng)中得到了驗證和應用。

2 制動優(yōu)化控制技術原理
在此根據(jù)制動需求，首先考慮制動電阻參數(shù)和工作參數(shù)，并在此基礎上提出一種基于最大功率和沖擊時間限制的優(yōu)化泄放技術。
2．1 制動泄放控制相關參數(shù)
為控制直流母線電壓的泵升，將制動電阻本體和制動泄放工作點兩個方面的參數(shù)作為系統(tǒng)控制參數(shù)輸入。制動電阻本體參數(shù)包括制動電阻阻值、額定功率以及短時抗沖擊允許時間。另外，在實際使用中，為提高可靠性，制動電阻的使用需要考慮降額率，以避免制動電阻過熱而損壞。制動泄放工作點參數(shù)包括直流母線電壓啟動泄放工作點電壓和電壓滯環(huán)值。當直流母線電壓大于泄放工作點電壓與電壓滯環(huán)值之和時，電壓泄放電路工作；當直流母線電壓小于泄放工作點電壓與電壓滯環(huán)值之差時，電壓泄放電路停止工作。通過設置電壓滯環(huán)，避免制動電路在瀉放工作點反復跳轉。
2．2 制動電阻優(yōu)化泄放控制技術
制動電阻優(yōu)化泄放控制技術的核心思想是充分利用制動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量得到，結合當前制動PWM占空比和制動電阻阻值信息，可計算得到制動電阻的瞬時功率，通過低通平滑處理，可得到制動電阻的平均功率，作為功率反饋，與設定的制動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，這樣允許在短時間內進行大電流放電處理。當制動反饋功率達到設定的最大功率時，自動調節(jié)以占空比方式實施制動泄放。由于同時考慮直流母線泵升電壓和制動電阻功率的限制，實現(xiàn)了制動泄放的優(yōu)化控制。

2．2．1 制動電阻的功率計算
設制動電阻為R，PWM制動占空比D∈[0，1]，直流母線電壓測量值為Udc，則R消耗的瞬時功率P=(UdcD)2／R。R一般具有抗沖擊能力，允許短時過載運行。利用抗沖擊時間，將P通過時間常數(shù)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(shù)為：x=u／(τs+1)，τ一般可選擇為1／3的制動電阻允許沖擊時間。