具有容錯功能的高效電機控制裝置

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，黑龍江 哈爾濱150080）

隨著經濟的發展，大量的不對稱和非線性負載出現，要求逆變器帶負載的能力就比較高了，但傳統的三相三橋臂逆變器在不對稱負載和非線性負載的情況下很難輸出三相對稱電壓。在傳統三相三橋臂逆變器基礎上發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載能力，因此在逆變電源，電能質量控制等領域得到了廣泛的研究和應用。同樣，三相四橋臂逆變技術在電機控制領域中也顯示了巨大的應用前景，其提高可靠性的能力和容錯能力已受到了國內外專家、學者們的日益關注。另外針對傳統的永磁同步電機無傳感器控制，應用滑模控制策略具有控制性能好、魯棒性好的優點。本文在滑模觀測器的基礎上引入自適應控制，在保證系統擾動能力強的條件下，提出了一種新的模型參考自適應速度辨識方法，減少對電動機參數的依賴，使轉速估計更加準確。

1 主電路功率拓撲結構

三相四橋臂驅動永磁同步電機的功率拓撲結構相比于傳統三相三橋臂拓撲結構，增加了一個橋臂，為不平衡負載提供了一個中性線電流通路，如圖1 所示。這種拓撲結構在正常運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的中線相連，從而為中線電流提供回路，通過采用適當的電機控制策略仍能維持電機正常運行。

圖1 四橋臂主電路拓撲結構圖

2 永磁同步電機無位置傳感器控制

永磁同步電機在靜止坐標系α-β 下的數學模型為：

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為電機電角速度；θe為以電角度表示的轉子位置角。

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值。

本文采用光滑連續的sigmoid 函數來構建自適應滑模觀測器，該sigmoid 函數為：

式（3）中：a 為一個正實數。

構建自適應滑模觀測器如下：

式（4）中，e贊α 和e贊β 為反電動勢估計值；k 為觀測器增益。

為使自適應滑模觀測器穩定，同時為獲取反電動勢的估計方程，定義李雅普諾夫函數為：

式中，eα=e贊α-eα，eβ=e贊β-eβ，η 為正系數。

對（5）式求導，可得：

在一個控制周期內反電動勢緩慢變化，把它看作為常數，即：

為使觀測器穩定，需保證

3 系統仿真及結果

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

在轉速為15r/min 的前提下進行仿真實驗。圖2 為空間電壓矢量調制波形，圖3 為轉子實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轉子位置波形都較為光滑，基本不含高頻抖振，估計反電動勢波形較為平滑。

4 結論

圖2 空間電壓矢量調制波形

圖3 轉子實際位置與估算位置波形圖

圖4 估計反電動勢波形

本文將電機三相四橋臂拓撲結構和自適應滑模觀測器結合起來，實現了電機容錯運行的無感控制。通過自適應滑模觀測器，對電機的轉子位置及轉速估算較精確，特別是能夠在較低速度區域很好地跟蹤實際轉子位置和實際轉速。