農(nóng)用伺服電機(jī)的新穎在線死區(qū)補(bǔ)償方法

孫正海 王劍平 楊曉紅等

摘要對(duì)SVPWM伺服系統(tǒng)死區(qū)效應(yīng)及在線死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討。常用的平均死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償技術(shù)是根據(jù)參考電壓伏秒面積等于補(bǔ)償后伏秒面積原則，由于難以準(zhǔn)確地得到電流的極性所以可能出現(xiàn)誤補(bǔ)償。該文在分析了死區(qū)效應(yīng)對(duì)輸出電壓電流影響的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本的死區(qū)補(bǔ)償方法。并通過(guò)將相電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計(jì)算電流矢量角，間接判斷電流極性準(zhǔn)確的求出了電流的過(guò)零點(diǎn)，從而得到較好的補(bǔ)償效果。最后在基于TMS320F2812研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器上測(cè)試軟件，結(jié)果證明了該方法的正確性，有效地減小了死區(qū)時(shí)間造成的電流畸變并使零電流箝位現(xiàn)象得到明顯改善。

關(guān)鍵詞死區(qū)補(bǔ)償；在線測(cè)量；零電流箝位；伺服系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）31-340-04

Online Novel Deadtime Compensation Method of Agricultural Servo Motor

SUN Zhenghai， WANG Jianping*， YANG Xiaohong et al

（College of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract The deadtime effect of SVPWM servo system and online deadtime compensation method was discussed. Common average deadtime compensation is based on the principle that the voltsecond area of reference voltage equals to the voltsecond area after compensation. It is difficult to obtain accurate polarity of the current， so error compensation may appear. After analyzing the dead zone effect on the output voltage and current influence， this article proposes a lowcost method of deadtime compensation. And by the phase current rotating coordinate transformation to calculate the current vector angle， indirectly determining the current polarity， it can accurately calculate current zero crossings and obtain better compensation effect. Finally， based on TMS320F2812 developed low pressure servo drive test software. It proves the correctness of the method which effectively reduces the dead time caused by the current distortion and zerocurrent clamping phenomenon has been significantly improved.

Key words Deadtime compensation； Online measurement； Zerocurrent clamp； Servo system

目前伺服電機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而對(duì)于理想的農(nóng)業(yè)伺服電機(jī)功率器件而言，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該是互補(bǔ)的。但是對(duì)于實(shí)際的功率器件而言，為了防止上下橋臂的開(kāi)關(guān)直通，兩個(gè)開(kāi)關(guān)需要加入一段死區(qū)時(shí)間，正是這段空白時(shí)間使得輸出電壓和實(shí)際給定電壓之間存在誤差。而每個(gè)斬波周期內(nèi)引起的微小畸變積累起來(lái)就會(huì)造成嚴(yán)重的波形失真和基波電壓降。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增大，電壓失真和諧波成分也越大。由死區(qū)時(shí)間造成的死區(qū)效應(yīng)會(huì)使輸出電壓電流畸變，出現(xiàn)零電流箝位現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，嚴(yán)重影響了伺服驅(qū)動(dòng)器的性能[1-3]。如果不對(duì)這部分進(jìn)行補(bǔ)償，可能會(huì)造成電壓不穩(wěn)定和額外的機(jī)械損耗。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的關(guān)于死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法中，最主要是基于平均值理論的補(bǔ)償技術(shù)[4-7]和基于脈沖的補(bǔ)償方法[8-9]?；谄骄道碚摰难a(bǔ)償技術(shù)將由于死區(qū)效應(yīng)減少的電壓平均到整個(gè)周期里，并且補(bǔ)償?shù)绞噶恐噶铍妷豪铮@種方法的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確的獲得電流的極性，避免誤補(bǔ)償。基于脈沖補(bǔ)償法雖然可以獲得一個(gè)較好的補(bǔ)償效果，但是在每個(gè)斬波周期里占用的采樣過(guò)程較長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器所用芯片RAM資源有限，因此，在功能性程序占用了大量資源的情況下，這種方法不是一種很好的解決方案。而其他的一些方法要么需要額外增加硬件設(shè)備，要么控制算法復(fù)雜占用了過(guò)多的系統(tǒng)資源[10-11]。

該文提出了一種新型死區(qū)補(bǔ)償方法，并且通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和其矢量角的應(yīng)用，從而間接判斷電流極性。這種方法易加入到現(xiàn)有的伺服驅(qū)動(dòng)器中，無(wú)需增加額外的硬件設(shè)備，只需添加少量代碼。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于研發(fā)的低壓伺服驅(qū)動(dòng)器，并取得了很好的效果。

1死區(qū)效應(yīng)

國(guó)內(nèi)目前的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，一般是將死區(qū)時(shí)間配置成上升沿延時(shí)導(dǎo)通?，F(xiàn)以三相電壓型逆變器的A相進(jìn)行分析，如圖1。調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)相互比較后產(chǎn)生理想的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于死區(qū)時(shí)間的加入，上下橋臂的功率開(kāi)關(guān)在這期間都處于阻斷的狀態(tài)。

從圖2（d）、（e）的時(shí)序可以看出，死區(qū)時(shí)間造成了實(shí)際輸出電壓和給定電壓之間的誤差，在ia>0時(shí)缺少了寬度為ts的電壓脈沖，在ia<0時(shí)多出寬度為ts的電壓脈沖。在開(kāi)關(guān)頻率不變的情況下，這個(gè)誤差隨死區(qū)時(shí)間的增大而增加。使得輸出電壓基波幅值減小，并產(chǎn)生了與死區(qū)時(shí)間和載波比成奇數(shù)次的諧波，在低速時(shí)尤為明顯。

2死區(qū)補(bǔ)償方法

采用一種新穎的死區(qū)補(bǔ)償方法，能有效改善由死區(qū)效應(yīng)造成的影響。仍以A相來(lái)分析。當(dāng)ia>0，上橋臂K1和續(xù)流二極管D2交替導(dǎo)通，無(wú)論K2是否有門(mén)級(jí)使能信號(hào)，都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)K2是不控橋臂；同理當(dāng)ia<0 時(shí)，K2和續(xù)流二極管D1交替導(dǎo)通，無(wú)論K1是否有門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)K1是不控橋臂。

這里采用一種改進(jìn)的死區(qū)時(shí)間配置方法，原理如圖3所示。其中（a）圖為A相上下功率開(kāi)關(guān)管的理想驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)ia>0時(shí)，不對(duì)K1設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保其有準(zhǔn)確的開(kāi)斷時(shí)間，而提前ts給K2關(guān)斷信號(hào)，并延時(shí)ts給開(kāi)通信號(hào)，如圖3（b）；當(dāng)ia<0時(shí)，不對(duì)下管K2設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保其有準(zhǔn)確的開(kāi)斷時(shí)間，而延時(shí)給K1開(kāi)通信號(hào)，并提前給關(guān)斷信號(hào)，如圖3（c）。

圖3（d）為理想輸出電壓，圖3（e）為實(shí)際輸出電壓?？梢?jiàn)采用上述死區(qū)補(bǔ)償方法后，實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓一致，從而避免了死區(qū)效應(yīng)給輸出電壓帶來(lái)的影響。

3電流極性判斷

準(zhǔn)確的判斷出相電流過(guò)零點(diǎn)對(duì)死區(qū)補(bǔ)償來(lái)說(shuō)至關(guān)重要?，F(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用技術(shù)當(dāng)中大多通過(guò)硬件AD采樣相電流的方法判斷電流極性。這樣得到的相電流諧波含量很高，易造成誤補(bǔ)償；同時(shí)由于噪聲干擾和零電流鉗位現(xiàn)象的影響，在過(guò)零點(diǎn)的附近會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過(guò)零點(diǎn)，因此難以獲得真實(shí)的電流過(guò)零點(diǎn)。若采用直接對(duì)采樣電流進(jìn)行濾波又會(huì)使獲得的電流信號(hào)大大滯后，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)和電流環(huán)帶寬。

將相電流轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，經(jīng)過(guò)低通濾波器將高頻成分濾掉后，利用變換后的值來(lái)計(jì)算電流矢量的空間位置角，如圖4所示。θ為定子角頻率ω的積分角，φ是電流矢量與d軸的夾角由式（1）而定。isq和isd分別是經(jīng)過(guò)濾波后的值。由式（2）可以得到電流矢量的空間絕對(duì)位置角θs。通過(guò)這種間接定位的方式增加了判斷電流極性的精度。

φ=sin-1（isq/isd）（1）

θs=θ+φ（2）

如圖5所示，電流空間矢量扇區(qū)分為6個(gè)區(qū)域。類(lèi)似于電壓空間矢量，通過(guò)電流矢量所在扇區(qū)就能獲得到電流極性。當(dāng)其經(jīng)過(guò)相鄰區(qū)間的時(shí)候即是其中一相的過(guò)零點(diǎn)。

4試驗(yàn)平臺(tái)

為測(cè)試上述改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償算法的有效性和可行性，通過(guò)軟件仿真并移植到現(xiàn)已研發(fā)的低壓伺服驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行測(cè)試分析。該測(cè)試平臺(tái)是基于TI公司TMS320F2812作為主控芯片研發(fā)的三閉環(huán)SVPWM低壓伺服系統(tǒng)。功率器件采用IRF540N，通過(guò)IR2106S模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電流以200 mΩ電阻采樣，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送至DSP。軟件系統(tǒng)主要架構(gòu)包括：內(nèi)部電流環(huán)PI控制器，電流給定陷波濾波器；速度環(huán)PI控制器，反饋二階濾波器，加速度前饋控制器；位置環(huán)P控制器，位置前饋控制以及位置指令平滑濾波等部分。具有外部脈沖模式，內(nèi)部位置、速度模式等。同時(shí)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)軟件監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)，可以更方便直觀地進(jìn)行測(cè)試。在一臺(tái)400 W電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，具體電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

5測(cè)試結(jié)果與分析

DSP中功率開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間配置為3.3us，斬波周期為01 ms，電流環(huán)帶寬最大1.5 kHz。在保證三環(huán)系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，分別測(cè)試了以下3種情況的相電流波形：無(wú)死區(qū)補(bǔ)償；直接用三相電流采樣值判斷極性的死區(qū)補(bǔ)償；以及改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償。通過(guò)將電流環(huán)的給定參考信號(hào)設(shè)置為不同幅值和頻率的正弦波，同時(shí)監(jiān)控上位機(jī)和示波器上的反饋相電流波形來(lái)觀察其正弦性和跟隨性，如圖6、7所示。

從圖6（a）和圖7（a）中可以看出（電流鉗×100檔），由于死區(qū)效應(yīng)的影響，電流波形畸變明顯。尤其零電流鉗位現(xiàn)象使電流過(guò)零附近出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。同時(shí)在波峰和波谷的位置均發(fā)生波形失真。圖6（b）和圖7（b）所示傳統(tǒng)死區(qū)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果仍然存在較大的諧波。當(dāng)加入改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償之后如圖6（c）和圖7（c），電流波形得到很大改善，零電流鉗位幾乎消失 。傳統(tǒng)補(bǔ)償方法相電流諧波畸變率為13.39%，而改進(jìn)后諧波畸變率明顯降低只有5.96%，如圖8所示。

6結(jié)論

首先分析了死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的原因和影響。然后針對(duì)農(nóng)業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器提出了一種新的死區(qū)時(shí)間配置方法，有效的利用了不可控開(kāi)關(guān)，保持有效橋臂開(kāi)斷時(shí)間準(zhǔn)確等于理想時(shí)間。提出通過(guò)計(jì)算電流矢量角來(lái)間接判斷電流過(guò)零點(diǎn)的方法，有效的避免了直接檢測(cè)電流極性帶來(lái)的誤差，提高了判斷的精度。這種死區(qū)補(bǔ)償方法不需要增加硬件設(shè)備，只需要增加少量代碼就可實(shí)現(xiàn)，可移植性強(qiáng)，降低系統(tǒng)成本。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明該方法具有很好的效果，并已經(jīng)成功的應(yīng)用在開(kāi)發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器上。

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