三相異步電機(jī)暫態(tài)沖擊電流抑制算法研究

周 敏，陶偉涵，崔 悅，劉建鵬，劉夢(mèng)陽

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

目前，用于異步電機(jī)變頻調(diào)速控制的典型方式有恒壓頻比(V/F)控制、矢量控制(Vector Control，VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)和智能控制等方法，其中VC、DTC及智能控制方式屬于現(xiàn)代控制范疇[1-2]，一般用于交流電機(jī)的精密調(diào)速；而對(duì)于一些無需獲取精確轉(zhuǎn)速的工業(yè)控制領(lǐng)域，考慮到成本及實(shí)現(xiàn)難易程度等因素，常采用開環(huán)V/F控制[3]；尤其是具有較大滯后特性的系統(tǒng)，如本文所研究的叉車調(diào)速裝置，為獲得大轉(zhuǎn)矩并保證操作的安全性，常設(shè)計(jì)成滯后性較大的調(diào)速系統(tǒng)。另一方面，由于未進(jìn)行轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)，無法限制其暫態(tài)沖擊電流引起的過流現(xiàn)象[4-5]。一旦過流，將對(duì)主橋路甚至控制電路造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，本文首先搭建了基于開環(huán)V/F控制的低壓大電流調(diào)速系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)一種峰值電流檢測(cè)及抑制算法應(yīng)用于該系統(tǒng)中，最終在該平臺(tái)上驗(yàn)證了算法的可行性。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 暫態(tài)沖擊電流過流現(xiàn)象分析

三相異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、成本低、易維護(hù)、可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在非調(diào)速或無需精準(zhǔn)調(diào)速的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。這類系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速無嚴(yán)格要求，但需對(duì)暫態(tài)沖擊電流進(jìn)行必要的預(yù)防及控制[7]，以保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行。

對(duì)于上述系統(tǒng)，常見的過流現(xiàn)象包括啟動(dòng)過流、突加給定過流和突加負(fù)載過流[8]。其中，以中小功率等級(jí)的籠型異步電機(jī)為例，其空載啟動(dòng)電流一般可達(dá)到電機(jī)額定工作電流的5～7倍，而后兩種情況視具體操作，其過流電流一般可達(dá)額定電流的3倍以上。圖1為本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電機(jī)空載半壓啟動(dòng)時(shí)的電流波形圖。由圖1可見，空載半壓啟動(dòng)情況下沖擊電流幅值仍可達(dá)穩(wěn)態(tài)電流的2～3倍，且持續(xù)時(shí)間為4個(gè)電流周期。若考慮全壓或帶載啟動(dòng)，則沖擊電流幅值將更大且持續(xù)時(shí)間更長。

圖1 啟動(dòng)電流波形圖

暫態(tài)沖擊電流的特點(diǎn)在于短時(shí)間內(nèi)電流幅值突然增大，這將對(duì)三相逆變橋上的開關(guān)器件及電機(jī)定子繞組絕緣材質(zhì)產(chǎn)生破壞性效果[9-10]。為有效消除暫態(tài)沖擊電流造成的不良影響，要求控制方式必須迅速。本文所設(shè)計(jì)的電流抑制算法通過采集異步電機(jī)相電流可快速檢測(cè)到?jīng)_擊電流信息。并通過數(shù)字芯片運(yùn)算輸出控制信號(hào)，從而有效降低沖擊電流造成的危害。

2 V/F調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用于低壓大電流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速裝置原理圖如圖2所示。為獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩，該系統(tǒng)使用了減速盤傳動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)滯后性較大。采用傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制，對(duì)于沖擊電流的響應(yīng)很難達(dá)到理想的控制效果[11-12]。甚至可能因?yàn)橐M(jìn)反饋環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降，且實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了電流抑制環(huán)節(jié)，對(duì)沖擊電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，該系統(tǒng)采用開環(huán)式V/F調(diào)速，在保證磁鏈恒定的前提下，盡量簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得輸出力矩得到保障的同時(shí)，成本降低且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單。其工作流程為：首先，系統(tǒng)由24 V蓄電池組供電，經(jīng)雙刀單擲開關(guān)及母線電容濾波給到三相全控逆變橋，在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下使開關(guān)管有序通斷，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。母線部分增加泵升限制電路減少開關(guān)管電壓應(yīng)力。為獲取沖擊電流信息，取電機(jī)一相電流，采用霍爾傳感器測(cè)取電流信號(hào)給到控制芯片，從而構(gòu)成電流抑制環(huán)節(jié)。

3 沖擊電流抑制算法設(shè)計(jì)

3.1 電流檢測(cè)方式選擇

根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，電流檢測(cè)方式可選擇間接測(cè)量母線電流，和直接測(cè)量電機(jī)輸入相(線)電流。前者獲得的為直流信號(hào)，后者為交流信號(hào)。母線電流較易測(cè)得且可以直接應(yīng)用于PI控制器；而電機(jī)輸入電流為交流電，不能直接用于設(shè)計(jì)PI控制器。一種做法是將獲取的交流電流信號(hào)經(jīng)clark、park變換得到直流量或構(gòu)建PR(比例諧振)控制器。這兩種做法雖然可行但坐標(biāo)變換增加了系統(tǒng)的運(yùn)算量，而PR控制器對(duì)系統(tǒng)精度有較高要求，不易實(shí)現(xiàn)，且在非基頻處增益很小，不能解決頻率偏移問題[13-15]。此外，為達(dá)到較快的調(diào)節(jié)特性，所獲取的電流信號(hào)應(yīng)能夠及時(shí)反映沖擊電流信息。而母線電流因存在濾波電路而導(dǎo)致了一定的滯后。從而不能很好地反映沖擊電流信息。

綜合上述分析，本系統(tǒng)將采用直接檢測(cè)電機(jī)輸入電流的測(cè)量方式。同時(shí)為能夠與PI控制器結(jié)合，需對(duì)信號(hào)采集算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到抑制暫態(tài)沖擊電流的目的。

3.2 算法設(shè)計(jì)

為使電流傳感器獲取的交流信號(hào)應(yīng)用于基于PI調(diào)節(jié)器的電流抑制環(huán)節(jié)，需對(duì)獲取的電流信號(hào)進(jìn)行處理。一種方法是獲取一個(gè)電流周期內(nèi)若干電流信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過比較獲取峰值信號(hào)，并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而確定沖擊電流是否產(chǎn)生并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。該方法需在一個(gè)電流周期內(nèi)進(jìn)行多次A/D轉(zhuǎn)換，不僅占用系統(tǒng)資源且峰值信號(hào)準(zhǔn)確與否與采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)直接相關(guān)；另一種方法是通過電機(jī)相電壓推算電流峰值時(shí)刻并進(jìn)行采樣，該方法需獲取電機(jī)相關(guān)參數(shù)，其流程如圖3所示。

圖3 方法二流程圖

綜合考慮上述兩種方法，本文選取了第二種方法，其可以在占用少量系統(tǒng)資源的情況下較準(zhǔn)確地獲取交流電流的峰值數(shù)值。該算法的具體實(shí)現(xiàn)如下：由于異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高階、非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，為方便計(jì)算及算法實(shí)現(xiàn)，在一定誤差范圍內(nèi)可作如下假設(shè)：(1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差120°電角度，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；(2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。圖4為Y型三相電機(jī)等效物理模型。

圖4 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由異步電機(jī)物理模型可得其電壓方程(1)及磁鏈方程(2)。

(1)

(2)

基于上述假設(shè)，由于三相對(duì)稱，且電阻、電感參數(shù)恒定。由式(1)和式(2)可推得電流相位延遲角θ計(jì)算公式(3)，其中ω1為系統(tǒng)實(shí)時(shí)電壓頻率。

θ=arctan(ω1Ls/Rs)

(3)

由圖3所示流程即可獲得所需電流峰值信息。該方法獲取的檢測(cè)電流I1經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)化為離散數(shù)值，再通過式(4)計(jì)算得出逆變器輸出占空比調(diào)節(jié)值，從而抑制沖擊電流峰值變大。

(4)

式(4)中D為實(shí)時(shí)占空比參數(shù)，D0為占空比基數(shù)，P1、P2和P3為調(diào)節(jié)系數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)逐個(gè)確定。ek_I、ek_D分別為電流和占空比誤差值。

4 硬件平臺(tái)搭建

4.1 系統(tǒng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的V/F調(diào)速系統(tǒng)所搭建的硬件系統(tǒng)平臺(tái)如圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，即主電路與控制電路。主電路由直流母線、逆變橋、電流傳感器和異步電機(jī)構(gòu)成，其中逆變橋所用MOSFET管采用IR公司的IRF3206?？刂齐娐钒刂菩酒?、驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)芯片為IR2110。

圖5 硬件平臺(tái)實(shí)物圖

電壓型逆變橋調(diào)制方式為SPWM調(diào)制，根據(jù)實(shí)測(cè)電機(jī)壓頻曲線，使系統(tǒng)沿壓頻曲線平滑調(diào)速。

4.2 電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本文中用到的電流傳感器為霍爾電流傳感器芯片ACS758，該芯片供電電壓為3.3～5 V，根據(jù)測(cè)量量程可分為50 A、100 A和200 A共3個(gè)等級(jí)。由于采用單電源供電，其靜止位輸出電平為供電電壓Vcc的一半，且輸出電平范圍需進(jìn)行調(diào)整，方能與DSP的A/D采樣口兼容，電流檢測(cè)單元的硬件原理圖如圖6所示。

圖6 電流檢測(cè)單元原理圖

其中，電位器RP1用于調(diào)節(jié)電流傳感器靜態(tài)輸出電平位置，PR2和RP3用于設(shè)置輸入到DSP的電流信號(hào)增益，需要注意的是RP2/R1應(yīng)與RP3/R2數(shù)值保持一致。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

由上述對(duì)暫態(tài)沖擊電流現(xiàn)象的分析可知，產(chǎn)生沖擊電流的情況可分為3類，即啟動(dòng)過流、突加給定過流和突加負(fù)載過流。以下是針對(duì)這3種情形，利用本文所設(shè)計(jì)算法在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上所做的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用電機(jī)及其他相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表

5.1 啟動(dòng)電流抑制

圖7為異步電機(jī)半壓啟動(dòng)的暫態(tài)沖擊電流波形圖。示波器的通道1用于顯示采樣時(shí)刻，通道2用于顯示電流波形。

圖7 啟動(dòng)沖擊電流波形圖

將圖7與圖1比較，可以發(fā)現(xiàn)采用了電流抑制算法的調(diào)速系統(tǒng)，其啟動(dòng)沖擊電流幅值在被檢測(cè)到超過設(shè)定閾值后，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)很快衰減到正常工作范圍內(nèi)，從而避免了沖擊電流持續(xù)時(shí)間過長造成對(duì)電路上器件的損害。相比于未加控制情況下系統(tǒng)的沖擊電流持續(xù)時(shí)間縮短了2個(gè)電流周期。且對(duì)于電流峰值的誤差<5%(此處定義檢測(cè)誤差為W=((程序采樣時(shí)刻-實(shí)際電流峰值時(shí)刻)/電流周期值)×100%)。

5.2 突加給定電流抑制

一般情況下電機(jī)調(diào)速時(shí)給定信號(hào)可視為一斜坡信號(hào)。當(dāng)給定突然增大，則可近似為一階躍信號(hào)，此時(shí)很容易產(chǎn)生暫態(tài)沖擊電流。圖8為系統(tǒng)以800 r/min運(yùn)行情況下突然施加1 800 r/min設(shè)定信號(hào)時(shí)的電流波形圖。

圖8 突加給定沖擊電流波形圖

由圖8可以看出，當(dāng)設(shè)定調(diào)節(jié)過快，電機(jī)電流將產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，抑制環(huán)節(jié)在沖擊電流的第1、2周期均進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使電流迅速進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。

5.3 突加負(fù)載電流抑制

對(duì)于開環(huán)的V/F調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載突然加重，由于缺少轉(zhuǎn)速閉環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將有大幅下降，此時(shí)，電機(jī)電流突升，形成暫態(tài)沖擊電流。但當(dāng)電機(jī)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，電流會(huì)回落至正常水平。而這一暫態(tài)過程中電流幅值大小及持續(xù)時(shí)間對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵。圖9為增加了電流抑制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)的電流波形圖。

圖9 突加負(fù)載沖擊電流波形圖

由圖9可知，突加負(fù)載時(shí)，本系統(tǒng)過流現(xiàn)象較明顯，但抑制環(huán)節(jié)的加入仍可使之維持在400 ms以內(nèi)，且抑制環(huán)節(jié)響應(yīng)較迅速。

6 結(jié)束語

針對(duì)V/F調(diào)速系統(tǒng)過流現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在分析了過流產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上提出了一種檢測(cè)及抑制暫態(tài)沖擊電流的算法。通過軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)3種典型的過流現(xiàn)象進(jìn)行了量化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)沖擊電流信息并達(dá)到抑制沖擊電流的目的。

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