永磁同步電機逆變器死區(qū)補償技術(shù)

現(xiàn)今工業(yè)伺服驅(qū)動中多采用驅(qū)動永磁同步電動機(pmsm)的交流伺服系統(tǒng)，其交流驅(qū)動單元使用三相全橋電壓型逆變器。pwm調(diào)制的變頻控制技術(shù)實現(xiàn)了對交流電機動態(tài)轉(zhuǎn)矩的實時控制，大大提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。

然而，對于pwm逆變器，在驅(qū)動功率管的開關(guān)信號中插入延時時間以防止直流母線直接短路，延時時間的引入將導致死區(qū)時間效應，引起逆變器輸出波形的畸變和基波電壓的降落，影響了伺服系統(tǒng)性能的進一步提高[1]。

逆變器死區(qū)補償方法綜述

為補償td引起的電壓波動，研究人員提出了各種補償方法，大致可劃分為三類。

最普遍的方法是在電流極性相同的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)缺少的脈沖列相應加上極性相反的脈沖列，以抵消其影響。由于三相電流必有一相與另兩相極性相反，一種簡單的方法是對極性相反的相實行二倍的電壓過補償，使三相電壓死區(qū)影響相互抵消，線電壓波形為正弦形[1]。文獻[2]詳細分析了死區(qū)產(chǎn)生的原因和影響，并根據(jù)模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制分別給出了死區(qū)的硬件電路補償方法。文獻[3]根據(jù)全橋電路的開關(guān)狀態(tài)，提出了一種帶死區(qū)補償的逆變器數(shù)學模型，該模型的特點是由簡單的滯環(huán)結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)此模型可由一計算公式實現(xiàn)死區(qū)補償。

第二類方法是根據(jù)無效器件原理實現(xiàn)死區(qū)補償?shù)?。在任意時刻，逆變器每一橋臂兩個功率器件中只有一個是有效的。當上橋臂器件關(guān)斷時，不論下橋臂器件是否導通，輸出電壓都是直流母線的負端電壓，此時稱下橋臂器件是“無效”的。死區(qū)補償?shù)霓k法是，維持有效器件的驅(qū)動信號不變，改變無效器件的驅(qū)動信號使之滿足設置死區(qū)的要求。既然“無效”器件的通、斷并不影響輸出電壓狀態(tài)，那么也就不需要驅(qū)動信號了，只給有效器件發(fā)出驅(qū)動信號就可以了，這樣也就不需要加入死區(qū)，也就沒有什么死區(qū)補償?shù)膯栴}了。但該方法在電流過零點處會由于誤差導致畸變，因此使用這個方法時要注意電流過零區(qū)域的處理。一些學者進一步提出了改進方法。文獻[4]在電流過零點加一滯環(huán)，在滯環(huán)時間內(nèi)使用正常的開關(guān)死區(qū)保護，可減小畸變。由于電流采樣中的干擾和電流變化的復雜性，文獻[5]在電流過零點附近的區(qū)域應給出兩路驅(qū)動信號并加入死區(qū)及死區(qū)補償。利用pwm關(guān)斷時刻實現(xiàn)換流時的開關(guān)死區(qū)保護，可消除開關(guān)死區(qū)的影響。

第三類方法是電流預測控制。建立較為準確的電機系統(tǒng)模型，分析電流波形的畸變量，通過電流的預測控制來實現(xiàn)電流波形的校正。文獻[6]提出了預測電流控制的死區(qū)問題，通過估計反電勢補償電壓波形畸變和電流零點鉗位現(xiàn)象。文獻[7]建立異步電機模型的矩陣方程，根據(jù)對svpwm算法里定子相電流的預測，補償其空間電壓矢量。文獻[8]利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的pmsm模型設計觀測器，觀測q軸損失的電壓，通過公式折算成需補償?shù)乃绤^(qū)時間tc，實現(xiàn)死區(qū)的在線補償。文獻[9]時間延遲控制來估計死區(qū)導致的干擾電壓，并將其反饋到電壓參考給定上以補償死區(qū)影響。電流預測方法計算繁瑣，且補償效果與電機模型的精度和時變的參數(shù)值直接相關(guān)，不易得到滿意的效果。

逆變器死區(qū)的影響

由pwm死區(qū)時間產(chǎn)生的基本原理可知[1]，引起的逆變器輸出電壓的偏差脈沖在繞組電流周期t1內(nèi)的電壓偏差可用一方波來等效，為了分析方便，假定電壓偏差脈沖在時間上是等間距的，則等效方波的高度為：

隨著電流極性的變化，誤差電壓脈沖的方向也隨著發(fā)生變化，而且隨著載波頻率的提高，誤差電壓脈沖出現(xiàn)的次數(shù)也隨之提高，雖然死區(qū)時間很短，只有幾個微秒，但是誤差電壓在一個周期之內(nèi)累積起來，也會對輸出電壓的基波幅值產(chǎn)生較大的影響。誤差電壓與理想電壓、實際輸出電壓的定性關(guān)系如圖2所示。

對圖2中的偏差方波進行傅立葉分析得到：

其中，ω1電流基波角頻率;ψ期望電壓與電機電流之間的相位差。

因此，在忽略功率開關(guān)引起的高頻噪聲的情況下，逆變器的輸出電壓為：

其中，ma調(diào)制度，為調(diào)制正弦波幅值與三角波載波幅值的比值。

由上式可知，由于逆變器死區(qū)時間的存在，不但使逆變器輸出電壓的基波發(fā)生變化，而且使輸出電壓中含有3次、5次、7次等高次諧波。

開關(guān)死區(qū)造成逆變器輸出電壓波形發(fā)生畸變，導致輸出電流波形波形畸變，即電流的交越失真。

·死區(qū)時間越長，逆變器輸出基波電壓損失越大，電壓波形畸變程度越大;負載基波電流幅值下降越多，電流波形畸變也越嚴重。

·對于確定的死區(qū)時間，負載功率因數(shù)變小時，會使逆變器輸出基波電壓幅值增加，電壓波形畸變率變小，基波電流幅值減小，電流波形畸變率變大。

·當輸出電壓較低時，空間電壓矢量幅值很小，三路橋臂相對導通時間變短，死區(qū)時間的影響變大。

·死區(qū)不僅影響輸出電壓幅值，還影響其相位;死區(qū)使pwm波形不再對稱于中心，因此，空間電壓矢量的幅值產(chǎn)生偏差，相位也發(fā)生變化。

基于位置的動態(tài)死區(qū)補償方法

各種死區(qū)補償方法的一個共同特點是根據(jù)電流波形補償電壓信號。因此需要檢測實際電流值，判斷各相電流正負，以其過零點作為補償電壓信號的切換時刻。電流檢測環(huán)節(jié)由電流傳感器、低通濾波器和a/d轉(zhuǎn)換組成，為減小噪聲程序中還需加數(shù)字濾波。檢測到的電流存在器件精度和干擾造成的誤差，且有相位延遲。因此利用實際檢測到的電流信號很難精確補償死區(qū)影響，甚至會由于過零點附近的錯誤補償造成更大的電流畸變。

現(xiàn)今pmsm的轉(zhuǎn)矩控制多是通過矢量控制實現(xiàn)的，為準確控制電機電流，其電流環(huán)響應頻率很高，可達到1khz以上，實際電流能夠精確跟蹤電流指令信號。在高精度的交流伺服系統(tǒng)中，為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制需要高分辨率的位置傳感器，一般達到16或17位，而高速高精度a/d器件相對成本較高，其分辨率一般為10或12位。由于電流矢量和轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，如果用位置信號判斷電流正負，施加電壓死區(qū)補償信號，補償?shù)木瓤梢员葘嶋H使用的電流信號精度高，且不受干擾信號的影響。

由pmsm矢量圖可見，磁場定向控制的電流矢量與轉(zhuǎn)子磁極成90°(電角度)，并與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子磁極的位置可通過高分辨率的編碼器確定，經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場定向控制，電流按時間變化的電角度和磁極空間變化的空間旋轉(zhuǎn)角度重合，進而可得到電流矢量的空間位置。根據(jù)電流矢量的空間位置，可以判斷出各相電流的過零點。

磁極的位置角度與電流的相位關(guān)系固定，經(jīng)過分析，我們按如下的位置變化規(guī)律進行電壓補償：

·當角度0《θ《π時，ia》0，a相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

·當角度2π/3《θ《5π/3時， ib》0，b相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

·當角度-2π/3《θ《π/3時， ic》0，c相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

補償電壓的幅值計算公式為：

其中factor為調(diào)整系數(shù)，一般取為0.7。

圖4和圖5為沒有加死區(qū)補償和加死區(qū)補償?shù)膶嶒灲Y(jié)果比較。由電流波形可以看出，無死區(qū)補償?shù)碾娏髟谶^零點處產(chǎn)生畸變，

有平的臺階。而加入以上提出的死區(qū)補償方法后，圖5所示實際電流跟蹤給定電流，得到了效果很好的正弦波形。

逆變器的開關(guān)死區(qū)效應對交流伺服系統(tǒng)的性能具有較大的影響，因此對開關(guān)死區(qū)進行校正補償是必要的。本文在分析了各種死區(qū)補償方法的基礎上，提出了一種基于位置檢測信號的動態(tài)補償方法。該方法利用高分辨率的編碼器來提高電流方向的判斷精度，實驗證明具有較好的補償效果。