基于逆變器死區(qū)的空間矢量脈寬調(diào)制仿真研究

王家軍,郭 超,金利勤

(1.杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院,浙江杭州310018;2.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司,浙江嘉興314201)

0 引 言

近年來,隨著磁性材料、半導(dǎo)體電功率器件以及控制理論的快速發(fā)展,永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)以其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特性在中小功率范圍的運動控制中正扮演著越來越重要的角色[1]。空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pu lse Wid th Modulation,SVPWM)技術(shù)已經(jīng)成為電壓型逆變器的一個標準控制方法,并廣泛應(yīng)用于電動機的控制[2]。SVPWM實現(xiàn)時,為了防止直流母線的直通,常常在每個橋臂的上、下兩個功率器件的觸發(fā)信號之間增加一個死區(qū)時間[3]。目前已經(jīng)有許多關(guān)于死區(qū)效應(yīng)補償?shù)难芯縖4],本文沒有通過Matlab/simulink仿真給出一種新穎的死區(qū)時間產(chǎn)生方法,然后給出一些由死區(qū)效應(yīng)引起的零電流鉗位的仿真結(jié)果。

1 空間矢量脈寬調(diào)制原理

如圖1所示是三相電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖,圖1中功率器件共有8種開關(guān)模式,相應(yīng)的電壓空間矢量可用Un(n=1,2,???,8)表示。如圖2所示,6個有效電壓空間矢量(U1-U6)作為基本向量,構(gòu)成含6個扇區(qū)的封閉六邊形,另外兩個空向量U7(000)和U8(111)用來填充調(diào)制周期中的空閑時間。在此向量空間中,任何電壓向量都能被兩個基本向量Un和U(n+1)合成。如圖2中位于第一扇區(qū)的電壓矢量US可以用U1(100)和U2(110)的合成矢量來表示,US為逆變器輸出電壓矢量。

圖1 三相電壓型逆變器

圖2 空間矢量扇區(qū)圖

在應(yīng)用SVPWM技術(shù)時,首先,需要確定要合成的電壓矢量US所在的扇區(qū),計算出該扇區(qū)相鄰兩個基本電壓空間矢量Un、U(n+1)的作用時間t1和t2。然后根據(jù)相鄰電壓矢量作用時間t1和t2,計算開關(guān)作用時間ta、tb和tc。最后,將開關(guān)作用時間和三角載波比較就得到SVPWM的輸出時序。

(1)判斷需要合成的電壓矢量US的扇區(qū)。

US所在的扇區(qū)與兩相固定坐標系(α-β)上的電壓控制量Uα和Uβ有關(guān)。電壓控制量Uα和Uβ與三相定子繞組軸abc上的相電壓Ua、Ub和Uc之間的轉(zhuǎn)換公式為:

對電壓控制量Uα、Uβ作如下變換:

令Uref1＞0時,A=1,否則A=0;Uref2＞0時,B=1,否則B=0;Uref3＞0時,C=1,否則C=0。設(shè)N=A+2B+4C,則扇區(qū)與N的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 基于N的電壓扇區(qū)測定

(2)計算X、Y、Z和電壓空間矢量作用時間t1、t2。

X、Y、Z通過下面的公式計算:

式中,Ts是調(diào)制周期,Vdc是直流側(cè)電壓值。對于不同的扇區(qū),矢量作用時間t1、t2與X、Y、Z的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

(3)開關(guān)作用時間ta、tb、tc的計算。

開關(guān)作用時間可以通過taon、tbon和tcon的值來計算,taon、tbon和tcon的計算公式為:taon=(Ts-t1-t2)/4;tbon=taon+t1/2;tcon=tbon+t2/2。開關(guān)的作用時間ta、tb、tc和taon、tbon、tcon的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。將ta、tb和tc的計算結(jié)果與三角載波相比得到SVPWM信號的輸出時序。

表3 各扇區(qū)的開關(guān)作用時間

表2 t1和t2的測定

2 逆變器死區(qū)時間的生成方法

生成死區(qū)時間,首先必須考慮的一個問題是怎樣把死區(qū)時間嵌入到SVPWM生成時序中。如圖3所示給出了一種新穎的死區(qū)時間生成方法,圖3中的傳輸延遲模塊用來延遲低電平初始信號。高電平信號減去延遲信號的絕對值就是死區(qū)時間,該死區(qū)時間分別與初始高電平信號、延遲信號進行乘運算,從而嵌入到SVPWM生成時序信號中。

圖3 逆變器死區(qū)時間的生成單元

3 系統(tǒng)設(shè)計仿真與分析

永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模塊如圖4所示,包括一個速度PID控制器,兩個電流PID控制器,dq/abc轉(zhuǎn)換,SVPWM生成,IGBT電壓型逆變器,永磁同步電動機模型和檢測單元。速度環(huán)PID控制器的參數(shù)為P=0.045、I=12、D=0,電流環(huán)PID控制器參數(shù)為P=320、I=100、D=0,IGBT的道通時間是1μs,關(guān)斷時間是2μs,dc直流電壓是400V。在以下的2種仿真實驗中,負載轉(zhuǎn)矩為10N?m。

圖4 永磁同步電機仿真結(jié)構(gòu)圖

(1)第一種情況仿真

死區(qū)時間設(shè)置為3μs,給定速度為300r/min,開關(guān)切換頻率設(shè)置為10kHz,仿真結(jié)果如圖5所示。這種帶死區(qū)時間的永磁同步電動機仿真中,電動機轉(zhuǎn)速跟蹤給定速度的波動大約為0.9%,電磁轉(zhuǎn)矩跟蹤負載轉(zhuǎn)矩的波動大約為4%。當電機電流過零點時,這種方案有零電流鉗位時間。

(2)第二種情況仿真

死區(qū)時間為3μs,給定速度為60r/min,開關(guān)切換頻率設(shè)置為10kHz,仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果中可以看出電機轉(zhuǎn)速較低時,跟蹤給定速度的波動變大,大約為12%,電磁轉(zhuǎn)矩的波動也變大,大約為12%。從而得出當給定轉(zhuǎn)速較低時,死區(qū)效應(yīng)的影響將比高速時更明顯的結(jié)論。

圖5 第1種仿真結(jié)果

圖6 第2種仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

該文中給出了SVPWM的詳細設(shè)計方案,并設(shè)計了一種新穎的生成死區(qū)時間的方法。該文在永磁同步電動機系統(tǒng)中利用帶死區(qū)時間的電壓型逆變器進行了兩種SVPWM仿真,證明了逆變器死區(qū)時間生成方法的正確性和可行性。

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