陳城，徐政，陳銳堅(jiān)，林崇

（1.清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深圳研究室，廣東深圳518055；2.深圳市天源新能源有限公司，廣東深圳518055）

1 引言

首先，由于直流無刷電動(dòng)機(jī)采用高效永磁體轉(zhuǎn)子，無需勵(lì)磁電流，功率因數(shù)和運(yùn)行效率高。其次，活塞泵為高揚(yáng)程容積泵，低轉(zhuǎn)速時(shí)仍能提水，有效調(diào)速范圍寬，系統(tǒng)全天有效運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。但是，活塞泵呈現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，高揚(yáng)程系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，必須輸出足夠高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，克服揚(yáng)水管道中積水所產(chǎn)生的壓力，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)及控制器的啟動(dòng)和低速運(yùn)行特性要求高。具體需要解決以下2 個(gè)問題：1）在確保提供足夠高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下盡可能減小啟動(dòng)電流，防止短時(shí)過流對(duì)控制器及電機(jī)永磁體造成損傷；2）光伏揚(yáng)水系統(tǒng)早晨啟動(dòng)時(shí)，光伏陣列的入射太陽輻射強(qiáng)度弱，能夠提供的電能有限，若啟動(dòng)功率過大，光伏陣列輸出電壓將跌落，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

為了提高啟動(dòng)的成功率，3 段式啟動(dòng)方法［1］得到了較為廣泛的應(yīng)用，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位→開環(huán)加速→閉環(huán)加速。此方法簡(jiǎn)單易行，但需要通過實(shí)驗(yàn)確定啟動(dòng)電壓及換向加速時(shí)間等參數(shù)，每一組參數(shù)只對(duì)對(duì)應(yīng)的電機(jī)有效，輕載時(shí)效果較好，啟動(dòng)過程中電流較大。于是，在前兩段的控制中又有幾項(xiàng)改進(jìn)措施。如短時(shí)脈沖法［2］、升頻限流法［3］、定子電流斜率閾值判斷法［4-5］等，但仍存在帶載能力低、控制切換不夠精準(zhǔn)的問題。

為此，本文在3 段式啟動(dòng)實(shí)施方案中提出了進(jìn)一步的改進(jìn)措施，強(qiáng)化第1 階段短時(shí)脈沖檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)性，優(yōu)化第2 階段定子電流斜率閾值設(shè)置方法，提高換向控制精度，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功率的最小化；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)完成了逆變控制器樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了0～100 m 揚(yáng)程下的高效穩(wěn)定啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性和可行性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與基本原理

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)由光伏陣列提供直流電源，逆變控制器根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度的變化對(duì)水泵實(shí)施調(diào)速控制，采用經(jīng)典的三相逆變電路，如圖1 所示。對(duì)于直流無刷電動(dòng)機(jī)，使用兩兩導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)方案（三相六態(tài)法），即每一種狀態(tài)下僅2個(gè)開關(guān)器件參與脈寬調(diào)制，每隔60°（電角度）換向1次，每次換向切換1個(gè)開關(guān)器件，每個(gè)開關(guān)器件在120°（電角度）時(shí)段內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。

圖1 三相逆變器主電路Fig.1 Main circuit of a three-phase inverter

開關(guān)器件配對(duì)調(diào)制順序是S1S2，S2S3，S3S4，S4S5，S5S6，S6S1，由此依次形成互相間隔60°（電角度）的磁場(chǎng)矢量，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的定子電流與反電動(dòng)勢(shì)如圖2所示。A，B，C相中總存在著某一相是不導(dǎo)通相。在此不導(dǎo)通相端口上可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，若能成功確認(rèn)其過零點(diǎn)，只需延時(shí)30°（電角度）便是換向的時(shí)刻，相當(dāng)于確定了轉(zhuǎn)子的位置并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電機(jī)控制。

反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)是直流無刷電動(dòng)機(jī)控制中的一個(gè)成熟方法［6-7］，但是，當(dāng)靜止或低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)太小，難以得到相應(yīng)的過零點(diǎn)信號(hào)及換向時(shí)刻，所以在啟動(dòng)過程中還需要其它輔助手段。

圖2 三相六態(tài)法的電流與反電動(dòng)勢(shì)波形Fig.2 Waveforms of BEMF and current with three-phase six-state control strategy

3 改進(jìn)型3段式啟動(dòng)實(shí)施方案

本文在常用3 段式啟動(dòng)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)前兩段的過程提出了以下改進(jìn)措施。

3.1 短時(shí)脈沖檢測(cè)-扇區(qū)驅(qū)動(dòng)（第1段）

通過先施加短時(shí)脈沖，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，然后逐漸加大對(duì)應(yīng)最佳方向上的電壓矢量，使電機(jī)啟動(dòng)并加速。由于轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，定子電感量與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)。定子電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子磁極平行時(shí)電感最小，兩者垂直時(shí)電感最大。只要依次施加3 個(gè)互差120°（電角度）的脈沖，比較響應(yīng)電流的大小關(guān)系，就可以分辨出轉(zhuǎn)子位置（序號(hào)增大對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)正向），如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子位置（1～12）與扇區(qū)序號(hào)（I～VI）Fig.3 Rotor position（1～12）and sector sequence number（I～VI）

依次施加3個(gè)順序脈沖：A高BC低（S1，S2和S6導(dǎo)通），檢測(cè)電流IA；B高AC低（S2，S3和S4導(dǎo)通），檢測(cè)電流IB；C 高AB 低（S4，S5和S6導(dǎo)通），檢測(cè)電流IC。通過比較3個(gè)檢測(cè)電流間的大小關(guān)系，由表1判斷出轉(zhuǎn)子磁極的軸向位置。單個(gè)脈沖持續(xù)333 μs以獲得足夠大響應(yīng)電流，關(guān)斷333 μs以消除電感殘留電流，脈沖關(guān)斷前2 μs進(jìn)行電流采樣。因脈沖持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)引起轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化。

由于用短脈沖第一次檢測(cè)處于靜止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)子位置時(shí)，無法確定轉(zhuǎn)子的極性方向，此時(shí)可選取其中一個(gè)位置序號(hào)，根據(jù)表2所定的規(guī)則，施加一段時(shí)間對(duì)應(yīng)相序電壓，保持產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁鏈相垂直的定子磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。若下一次位置檢測(cè)得到的位置序號(hào)按正轉(zhuǎn)方向遞增時(shí)，表明磁極方向選取正確。否則，表明磁極方向取反，從而能夠確定磁極的實(shí)際位置。因此，在最壞的情況下，第一次可能反轉(zhuǎn)30°，隨后的控制不會(huì)再有反轉(zhuǎn)的情況，對(duì)于活塞泵是完全能接受的。

表1 基于電流比較的轉(zhuǎn)子空間位置判斷Tab.1 Rotor position estimation based on current comparisons

表2 基于轉(zhuǎn)子位置的控制策略Tab.2 Control strategy based on rotor position

經(jīng)過對(duì)應(yīng)扇區(qū)驅(qū)動(dòng)時(shí)段約25 ms 后，再回到短時(shí)脈沖檢測(cè)階段。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，重復(fù)上述過程，可使得電機(jī)從靜止啟動(dòng)到4 Hz左右。針對(duì)不同轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)，只需在扇區(qū)驅(qū)動(dòng)階段，逐漸增大輸出電壓，直至電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，即可確定該負(fù)載條件對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，此方法對(duì)于不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)具有良好的自適應(yīng)性。

隨著轉(zhuǎn)速的增加，上述方法對(duì)轉(zhuǎn)子位置的判斷會(huì)產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致扇區(qū)驅(qū)動(dòng)階段電流增大，甚至失速。另一方面，對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)，4 Hz的頻率依舊過低，需要一個(gè)過渡的控制策略。

3.2 定子電流PWM斜率閾值判斷（第2段）

同樣基于由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生的電感變化原理，根據(jù)定子電流的斜率di/dt，判斷電壓矢量切換時(shí)機(jī)。假設(shè)當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行到扇區(qū)I，轉(zhuǎn)子位置角在150°～210°之間。依據(jù)表2中的換向邏輯，由S2和S3控制電壓矢量。導(dǎo)通產(chǎn)生的定子電流將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子垂直的磁鏈，使轉(zhuǎn)子向前轉(zhuǎn)動(dòng)。使用S3脈寬調(diào)制、S2恒通的模式。當(dāng)系統(tǒng)處于PWM導(dǎo)通（S3導(dǎo)通）時(shí)段時(shí)，有：

式中：Ud為直流母線電壓；r，L分別為定子電阻和電感；e為反電動(dòng)勢(shì)。

即

在一個(gè)扇區(qū)中，上式中分子的各項(xiàng)基本保持不變，而依據(jù)轉(zhuǎn)子對(duì)稱性，（LB+LC）的最大值出現(xiàn)在扇區(qū)I中間位置，扇區(qū)兩側(cè)對(duì)稱遞減，由此可知di/dt呈現(xiàn)中間小、兩側(cè)大的變化規(guī)律?？衫么颂卣?，實(shí)施換向控制。首先，在每次PWM控制的導(dǎo)通時(shí)段進(jìn)行2次電流采樣，一次在剛導(dǎo)通后，一次在即將關(guān)斷前，如圖4 所示。2 次采樣的時(shí)間間隔為Δt，作近似計(jì)算di/dt ≈Δi/Δt，通過比較其大小和變化趨勢(shì)，確定換向時(shí)刻。

圖4 PWM控制的電流采樣Fig.4 Sampling of current under PWM control

文獻(xiàn)［5］將電流的二次導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)作為扇區(qū)中間時(shí)刻，延時(shí)30°即可產(chǎn)生換向信號(hào)。這種方法原理清晰，穩(wěn)態(tài)特性良好，但在啟動(dòng)加速過程中動(dòng)態(tài)特性不夠理想，且抗干擾能力較差。另一種方法是將每個(gè)扇區(qū)中獲得的di/dt最小采樣值，乘以一個(gè)大于1的常數(shù)C作為換向閾值，當(dāng)di/dt的采樣值增至該閾值時(shí)，切換電壓矢量。由于換向的準(zhǔn)確性取決于電機(jī)交軸與直軸電感的差異程度和C的取值，C過小會(huì)產(chǎn)生超前的換向，C過大會(huì)使得換向滯后，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)換向，而且通用性較差，為此，本文提出了更為簡(jiǎn)便有效的換向判斷方法。

若換向準(zhǔn)確，一個(gè)扇區(qū)中di/dt的采樣值應(yīng)該左右對(duì)稱。利用此特性，選取2 個(gè)di/dt采樣值作為參考值，一個(gè)是上一個(gè)扇區(qū)的最后一個(gè)di/dt采樣值，另一個(gè)是當(dāng)前扇區(qū)的第一個(gè)di/dt采樣值，取其平均值作為當(dāng)前扇區(qū)的換向閾值，當(dāng)di/dt的采樣值經(jīng)過最低點(diǎn)而逐漸增至該閾值時(shí)，切換電壓矢量。由于能夠動(dòng)態(tài)跟蹤扇區(qū)中di/dt采樣值的2個(gè)端點(diǎn)并使之趨向一致，從而保證了換向控制的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。同時(shí)，不需要根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)置相關(guān)的控制參數(shù)，具有良好的通用性。

3.3 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)（第3段）

經(jīng)過第2 段的加速，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到10 Hz 左右時(shí)，可平穩(wěn)轉(zhuǎn)入反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)。至此，轉(zhuǎn)入完全閉環(huán)控制，啟動(dòng)過程結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以瑞薩公司的Sh71253為主控芯片，開發(fā)了光伏揚(yáng)水逆變控制器，并用可編程光伏陣列模擬電源、2 kW活塞泵及壓力罐搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。水泵最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速3 600 r/min，最高模擬揚(yáng)程100 m。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用常規(guī)3段式啟動(dòng)方法時(shí)，揚(yáng)程升至50 m 后，開始出現(xiàn)啟動(dòng)失敗的現(xiàn)象，而且即使能夠成功啟動(dòng)，啟動(dòng)電流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流。圖5a為在40 m模擬揚(yáng)程下的啟動(dòng)電流波形。啟動(dòng)階段電流幅值大，最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的2 倍，最大功率超過400 W。圖5b 和圖5c為采用本文方法在40 m，100 m模擬揚(yáng)程下的啟動(dòng)電流波形。啟動(dòng)階段與穩(wěn)定運(yùn)行階段的電流幅值差異不大，甚至從圖中難以分辨出二者切換點(diǎn)。放大圖像后，可以觀察到在4 s 左右進(jìn)行了第1，2 段的切換，6 s 左右進(jìn)行了第2，3 段的切換。啟動(dòng)階段功率穩(wěn)步上升，切換至閉環(huán)過程功率無明顯變化，分別在160 W和500 W左右，從而能提高光照較弱時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)的成功率。

圖5 啟動(dòng)電流實(shí)測(cè)波形Fig.5 Experimental curves of starting current

圖6為不同階段切換時(shí)刻的電壓電流波形，圖6a中第1段為短時(shí)脈沖檢測(cè)階段，此時(shí)一個(gè)位置區(qū)間有時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)扇區(qū)。圖6b 中第2，3段間的波形已無明顯差別。

圖6 啟動(dòng)控制切換時(shí)的電壓電流波形Fig.6 Waveforms of voltage and current during the stage of starting control switching

5 結(jié)論

為了滿足高揚(yáng)程光伏揚(yáng)水系統(tǒng)中活塞泵的大轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定啟動(dòng)的需求，提出3 段式啟動(dòng)控制新方法，并通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了以下優(yōu)異特性。

1）大轉(zhuǎn)矩負(fù)載下啟動(dòng)穩(wěn)定可靠，數(shù)百次測(cè)試中，未出現(xiàn)啟動(dòng)失敗現(xiàn)象。

2）啟動(dòng)過程短，電流平穩(wěn)，大小與閉環(huán)控制階段電流幅值持平，對(duì)控制器和電動(dòng)機(jī)具有良好的保護(hù)作用。

3）針對(duì)不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩有自適應(yīng)特點(diǎn)，啟動(dòng)不需要調(diào)整負(fù)載參數(shù)，而能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功率最小化。

4）本文的啟動(dòng)方法具有通用性，能夠應(yīng)用于其它大轉(zhuǎn)矩負(fù)載系統(tǒng)中。

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