多电平技术在直接转矩控制系统中的应用研究

摘要：多电平逆变器在直接转矩控制系统中，对减小转矩脉动有积极作用，但中点电位稳定与否，对系统运行的可靠性带来很大影响。这里提出一种电压矢量的合成方法，既能实现直接转矩控制，又能控制中点电压稳定，对分析结论进行了程序仿真和实际装置实验，结果都证明该方法有效。

关键词：逆变器；三电平；直接转矩控制；转矩脉动

1 引言

作为一种先进的控制方法，直接转矩控制结构简单，动态性能优良，但是也存在比较突出的问题，即转矩脉动较大。针对该问题，近年来，学者们提出了许多方法，如空间电压矢量的优化处理，采用无速度传感器运行，改进磁链观测技术，完善控制方式等。这里则是利用多电平技术，细化空间电压矢量，通过降低磁链的谐波，从而减小转矩的脉动量。

2 多电平逆变技术

经过几十年的发展，二极管箝位型多电平逆变器技术已受到越来越多的关注，多电平逆变器较传统的两点平逆变器而言，具有更多的空间电压状态矢量，这样逆变器的整个空间电压矢量平面就可进行细分，在很大程度上能够减小转矩波动与磁链误差。但随着电平数增多，优化矢量表的复杂程度也急剧增加，同时二极管箝位三电平逆变器的中点电压平衡也是一个难点，给直接转矩控制在多电平电路上的应用带来了很多困难。图1示出二极管箝位三电平逆变器。

两电平逆变器每相只有两种开关状态，而三电平逆变器每相则有3种开关状态，这样就有33即27个开关状态组合，其中有6个长矢量(1 -1-1)，(1 1 -1)，(-1 1 -1)，(-1 1 1)，(-1 -1 1)，(1 -1 1)；6个中矢量(1 0 -1)，(0 1 -1)，(-1 10)，(-1 0 1)，(0 -1 1)，(1 -1 0)；12个，小矢量(0 -1 -1)，(1 0 0)，(0 0 -1)，(1 1 0)，(0 1 0)，(-1 0 -1)，(-1 0 0)，(0 1 1)，(-1 -1 0)，(0 01)，(0 -1 0)，(1 0 1)，还有3个零矢量(0 0 0)，(1 1 1)，( -1 -1 -1)。图2示出三电平逆变器电压空间矢量分布。

与两电平逆变器类似，通过Park矢量变换可写出电压空间矢量的数学表达式为：

式中：uAN，uBN，uCN为逆变器三相输出与负载中点之间的相电压；uAO，uBO，uCO为三相输出与逆变器直流侧中点之间的电压。

通常，电源中点与负载中点间的电位不同。

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3 三电平逆变电路的中点电位稳定

对于二极管筘位三电平逆变器而言，其结构简单，便于系统实现，但最大弊端在于直流侧的两个电容电压不稳定，致使某些开关器件承受的反向压降出现不均衡，严重影响逆变器的性能。图3为三电平逆变器的等效开关模型图。

当某一相工作在0开关状态时，其中点就与负载相连，必然就有电流流入或流出，中点电压也就会发生相应变化。对于中点Q，根据基尔霍夫电流定律，中点电流为：

iQ=iC1+iC2      (2)

由于Udc(Udc=uC1+uC2)为一定值，因此在uC1增大的同时，uC2必然减小，反之亦然，并且C1=C2，则iC1=iC2=iQ／2。那么当iQ>0时，C1充电，uC1增大，相应的C2放电，uC2减小；当iQ<0时，C1放电，uC1减小，相应的C2充电，uC2增大。而Q点相对于假想电源中点O的电位UQO=(uC2-uC1)／2，因此iQ>0，中点电位下降，iQ<0，中点电位上升。

对于每一种长矢量，输出接直流母线的正端和负端，没有与中点相连的情况，因此，iQ=0，对中点电压不会产生影响。而对于中矢量，由于总有一相与中点相连，中点流过相应相的电流，中点电压发生相应变化。对于成对出现的小矢量，以长矢量(1 -1 -1)方向相关的(1 0 0)和(0 -1 -1)为例来进行说明。

小矢量(1 0 0)作用时，电机的b相和c相与Q点相连，此时iQ=ib+ic。由于三相异步电机正常工作时三相电流ia+ib+ic=0，此时流过中点的电流可用-ia来表示。小矢量(0 -1 -1)作用时，电机的a相与Q点相连，这时iQ=ia。可见，这两个小矢量都会对中点电压产生影响，并且作用是反相的，当一个矢量使中点电压增加(称为正小矢量)时，另一个必然会使其减小(称为负小矢量)。对于其他的电压矢量，用同样的分析方法可以得到。经过分析可知，零矢量和长矢量作用时，iQ=0，即不会对中点电压产生影响。成对出现的小矢量对iQ的作用是相反的，在控制中可以利用这一点来对中点电压进行控制。

4 控制系统设计

图4为设计的三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的整体框架图。

系统硬件由整流模块、异步电机、二极管箝位三电平逆变器、DSP、电流与电压检测电路、速度反馈电路构成。DSP芯片是整个系统的核心，一方面需要完成速度、电压、电流检测，并进行数字滤波；另一方面又要根据系统的运行情况进行实时计算，适时发送PWM控制信号来控制逆变器的开通与关断，在充分发挥三电平逆变器性能的基础上，实现对异步电机的直接转矩控制。

整个调速系统中，异步电动机为主要控制对象，所采用实验样机主要参数为：额定电压220V；额定电流0．55A；额定转速1420 r·min-1；额定功率100 W；极对数为2。

二极管箝位三电平逆变器主电路设计时要防止每个桥臂在1→0→-1切换过程中出现短路的情况。在状态1时，开关管VTa1，VTa2导通，VTa3，VTa4关断，而在0状态时，VTa2，VTa3导通，VTa1，VTa4关断；从状态1切换到状态0时，关断VTa1，同时开通VTa3；实际中由于开关管的开通与关断需要一定的时间，若器件选择不好，就可能导致VTa1，VTa2，VTa3同时开通，造成直流母线的正端P与中点Q之间的短路。为了避免这种情况的发生，可以采用IRF450型MOSFET，该管是压控型器件，输入电流很小，输入阻抗很高，其单极性载流子的工作特性使其具有很高的开关速度和工作频率，驱动电路简单，易于控制。

此课题在设计过程中很多环节都留有一定裕量，每个开关管都反并联一个快速恢复二极管HFA25TB60，作为续流二极管。箝位二极管采用的也是HFA25TB60。直流母线侧采用两个2 200μF／450 V电解电容，每个电容都并联一个功率电阻，一方面起到均压作用，另一方面在逆变器停止工作时为电容上存储的电荷提供释放通路。

5 实验结果与分析

绕线式异步电动机参数为：极对数为2，额定功率100 W，额定电压220 V，额定电流0．55 A，额定转速1 442 r·min-1；直流发电机参数为：额定功率185 W，额定电压220 V，额定电流1．1 A；单相调压器参数为：容量3 kW，输入电压220 V，输出电压0～250 V；仿真器采用SEED-XDSPP。

实验测试波形控制周期为100μs，直流母线电压为150 V。在实验过程中，利用直接转矩控制产生的磁链与转矩的控制信号以及中点电压控制信号，查询设计好的开关状态表，然后更新DSP比较寄存器的值，实现电机的控制。

电机在给定转速为500 r·min-1_时a，b两相间线电压uab的波形如图5a所示。由图可知，三电平逆变器输出的线电压有5种电平状态，与传统的两电平逆变器相比，谐波含量较低，更接近于正弦波。图5b示出uab的放大波形。由于在控制过程中，合理地安排了电压矢量的作用顺序，避免了过高的du／dt的出现。

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对系统进行了负载实验，如图6a所示，系统在突加负载时转速有一个明显下降过程，经过短暂调节之后，系统进入稳态，转速仍能按照给定转速运行。图6b给出了这个过程中电流的变化波形，可见，在负载增大后，为保证电机的转速不变，电机电磁转矩增大，定子电流增加。

6 结论

二极管筘位三电平逆变器异步电机直接转矩控制系统的设计为直接转矩控制以及多电平逆变器交流传动控制积累了一定的经验，系统的硬件电路以及软件程序都为其他设计者提供了一个参考。上述研究实验结果表明，多电平技术与空间矢

量控制技术相结合，可以减小转矩波动。但在矢量合成方法的选择方面还可以进一步优化，并且同时引入智能控制方法，实现系统的更优控制。