基于空間矢量脈寬調(diào)制的永磁同步電機(jī)死區(qū)效應(yīng)分析與補(bǔ)償*

劉　堃，　范彩云，　韓　坤，　甄　帥，　何青連

(許繼集團(tuán)有限公司 許繼電氣股份公司,河南 許昌　461000)

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基于空間矢量脈寬調(diào)制的永磁同步電機(jī)死區(qū)效應(yīng)分析與補(bǔ)償*

劉堃，范彩云，韓坤，甄帥，何青連

(許繼集團(tuán)有限公司 許繼電氣股份公司,河南 許昌461000)

逆變器死區(qū)時間使逆變器輸出諧波分量增加，電壓和電流發(fā)生畸變，甚至導(dǎo)致電機(jī)在低速下的不穩(wěn)定運(yùn)行。為解決上述問題，提出一種基于擾動電壓檢測的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償策略。通過判斷輸出電壓矢量角度獲取三相電流方向，從而確定補(bǔ)償電壓矢量。同時，為提高輸出波形質(zhì)量，結(jié)合一種零電流鉗位效應(yīng)消除方法，可以同時補(bǔ)償死區(qū)引起的誤差電壓和消除零點(diǎn)電流鉗位現(xiàn)象。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能明顯改善電流波形畸變，具有很好的實(shí)用價值。

死區(qū)效應(yīng)； 補(bǔ)償電壓矢量； 誤差電壓； 零點(diǎn)電流鉗位； 空間矢量脈寬調(diào)制； 永磁同步電機(jī)

0　引　言

空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM)技術(shù)由于直流電壓利用率高、諧波少等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM)的調(diào)速控制[1-3]。然而，實(shí)際的功率器件存在開關(guān)延時，所以并非是理想的開關(guān)器件。在電機(jī)驅(qū)動中，為防止橋臂直通，通常會設(shè)置死區(qū)時間，但死區(qū)時間的存在帶來了低次諧波，造成輸出電壓的基波電壓損失，使輸出電壓發(fā)生嚴(yán)重的波形畸變，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能下降，且低頻振蕩嚴(yán)重[4]。

為了補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)，需要對死區(qū)時間引起的誤差電壓進(jìn)行補(bǔ)償。目前常用方法有電壓反饋型和電流反饋型兩種[5-6]。補(bǔ)償原理是設(shè)法產(chǎn)生一個與畸變電壓大小等同、方向相反的補(bǔ)償電壓以消弱或抵消畸變電壓的影響。

電壓反饋型將各相的輸出電壓經(jīng)檢測電路檢測出來，將上一次電壓差的一個比例值作為補(bǔ)償電壓加在此次電壓給定值上作為最終的補(bǔ)償值。該方法可以補(bǔ)償死區(qū)造成的不良影響，但需要增加檢測每相電壓值的硬件電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]。

電流反饋型利用三相電流的方向確定相應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)，其不需要增加硬件電路，在原有電機(jī)驅(qū)動器的基礎(chǔ)上用軟件即可實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際中，由于死區(qū)時間會帶來零點(diǎn)電流鉗位現(xiàn)象，電流的過零點(diǎn)存在一定的模糊性，難以直接準(zhǔn)確測定，從而影響了補(bǔ)償效果[8]。

除上述方法外，也有大量文獻(xiàn)提出了不同的死區(qū)補(bǔ)償方案。文獻(xiàn)[9-10]利用電流方向檢測和伏秒平衡的方法對死區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)償。文獻(xiàn)[11]通過檢測d-q軸電流誤差，將電流閉環(huán)與死區(qū)補(bǔ)償相結(jié)合。該方法不需要增加額外的硬件電路，但是補(bǔ)償效果受電流控制器的影響。文獻(xiàn)[12]針對H橋靜止無功發(fā)生器中死區(qū)帶來的誤差電壓和零點(diǎn)電流鉗位，提出延長或縮短開關(guān)器件的占空比時間來補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)。該方法可以保證輸出完全跟蹤輸入，但占空比時間需要精確計算。文獻(xiàn)[13-14]采用模糊補(bǔ)償算法實(shí)時計算由死區(qū)導(dǎo)致的誤差電壓，將前饋控制應(yīng)用于誤差電壓補(bǔ)償中。文獻(xiàn)[15-16]提出一種擾動觀測器的補(bǔ)償方法，把死區(qū)效應(yīng)引起的誤差電壓作為系統(tǒng)擾動，采用擾動觀測器估算補(bǔ)償信號，但是需要通過大量試驗(yàn)來得到合適的控制參數(shù)。

本文提出一種基于擾動電壓檢測的死區(qū)補(bǔ)償策略。首先，為提高電流極性檢測的準(zhǔn)確性，由輸出電壓矢量角度判斷三相電流方向以確定補(bǔ)償電壓矢量；同時，為改善輸出波形質(zhì)量，將一種零電流鉗位效應(yīng)消除方法結(jié)合到上述補(bǔ)償方法中。該方法可以補(bǔ)償由死區(qū)引起的誤差電壓，同時又可以消除零點(diǎn)電流鉗位現(xiàn)象。

1　死區(qū)效應(yīng)分析

SVPWM技術(shù)是從電機(jī)的角度出發(fā)，使電機(jī)獲得幅值不變的圓形磁場(即正弦磁通)。電機(jī)驅(qū)動器通過三相橋臂的不同開關(guān)模式產(chǎn)生磁通來逼近基準(zhǔn)磁通圓，而死區(qū)時間會產(chǎn)生空間矢量誤差，使得形成的磁場偏離圓形磁場，降低電機(jī)性能。三相PMSM驅(qū)動器中通常采用三相全橋電路拓?fù)?，定義相電流流向電機(jī)側(cè)為正方向，如圖1所示。

圖1　電壓型逆變器主電路結(jié)構(gòu)

為了定量分析死區(qū)時間給驅(qū)動器帶來的影響，以A相橋臂為例對死區(qū)時間引起的電壓空間矢量誤差進(jìn)行定量分析。圖2是A相橋臂驅(qū)動信號和輸出電壓波形，其中：ua為逆變器的輸出電壓；t1*為理想情況下，即無死區(qū)加入時開關(guān)管的導(dǎo)通時間；td為加入上下橋臂占空比切換時的死區(qū)時間；ton和toff分別為開關(guān)器件的導(dǎo)通延時和關(guān)斷延時時間；ts為一個開關(guān)周期。圖2中： (a)、(b)為理想情況下，A相橋臂上、下管驅(qū)動信號；(c)、(d)為加入死區(qū)時間后，A相橋臂的驅(qū)動信號；(e)為實(shí)際輸出A相電壓波形，陰影部分為死區(qū)時間引起的誤差電壓，該陰影部分的誤差電壓極性取決于電機(jī)相電流的方向。

圖2　死區(qū)效應(yīng)示意圖

以A相電流為例，當(dāng)ia>0時，由死區(qū)時間帶來的時間誤差te=toff-td-ton。同理，可得當(dāng)ia<0時，時間誤差te=-(toff-td-ton)。由參考電壓與補(bǔ)償電壓伏秒平衡原則，可將A相電壓的誤差表示為

當(dāng)ia>0時，

(1)

當(dāng)ia<0時,

(2)

由式(1)、式(2)可得

uan=Udeadsgn(ia)

(3)

其中：

(4)

(5)

實(shí)際上，開關(guān)器件存在導(dǎo)通壓降。所以式(4)可表示為

(6)

式中：Uan——A相擾動電壓；

Udc——逆變器直流側(cè)電壓；

Us、Ud——開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和二極管導(dǎo)通壓降；

ia——A相電流。

同理，B、C相的誤差電壓為

ubn=Udeadsgn(ib)

(7)

ucn=Udeadsgn(ic)

(8)

從式(3)、式(7)、式(8)可知，由死區(qū)時間引起的電壓畸變和電流的極性相關(guān)，與電流的大小無關(guān)。圖3表示了這種關(guān)系。

圖3　電流極性與端電壓畸變的對應(yīng)關(guān)系

圖3中，電壓畸變的變化方向與電流方向相反。相電流由負(fù)變?yōu)檎?，端電壓減??；相電流由正變?yōu)樨?fù)時，端電壓增大。這種相反的變化使得電流鉗位在零點(diǎn)，故稱為零電流鉗位現(xiàn)象。零電流鉗位現(xiàn)象會導(dǎo)致輸出電壓的進(jìn)一步畸變。

與其相反，如果電流的變化方向與電壓變化方向相同： 相電流由負(fù)變正時，端電壓增大；相電流由正變負(fù)時，端電壓減小。這樣的情況使得相電流在過零點(diǎn)處有快速上升的趨勢。

2　死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償策略

2.1補(bǔ)償電壓矢量的確定

通過以上分析，可以看出死區(qū)補(bǔ)償?shù)那疤崾菧?zhǔn)確檢測三相電流的方向。輸出電壓矢量角度與三相電流方向的關(guān)系如圖4所示。圖4中，符號從中心向外依次是A、B、C相，符號+表示電流流向負(fù)載，符號-表示電流由負(fù)載流向逆變器。

圖4　電壓矢量圖中三相電流方向

在PMSM矢量控制中，由于采用id=0的矢量控制策略，轉(zhuǎn)子磁通始終保持與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)d軸方向一致，而定子電流方向保持與q軸方向一致。設(shè)d軸與固定坐標(biāo)系α軸之間的電角度為θe，當(dāng)θe在[-60°，0°]區(qū)間時，與圖4中[30°，90°]區(qū)間相對應(yīng)。因此，可以得出電角度與電流極性及補(bǔ)償電壓關(guān)系如表1所示(電角度可以由編碼器反饋得到)。

表1　電流矢量與補(bǔ)償電壓關(guān)系

2.2零點(diǎn)鉗位現(xiàn)象消除

將abc三相坐標(biāo)系下的補(bǔ)償電壓變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得

(9)

其中：

(10)

式(3)、式(7)、式(8)中的相電流在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表示為

(11)

由式(9)～式(11)可以得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的擾動電壓為

(12)

在矢量控制中，采用id=0的控制策略。因此，可將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的補(bǔ)償電壓簡化為

(13)

在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，d軸的補(bǔ)償電壓是頻率為相電流頻率6倍的鋸齒波。其幅值為

(14)

零電流鉗位效應(yīng)消除策略如下：

(3) 根據(jù)三相電流中最小的相此刻正處于過零點(diǎn)，改變該相電流極性。

圖5為死區(qū)補(bǔ)償算法流程圖。

圖5　補(bǔ)償算法流程圖

3　仿真與試驗(yàn)

PMSM參數(shù)如下： 額定功率1.5kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電流6A，極對數(shù)4，相繞組電阻0.567Ω，相繞組電感2.3167mH，電氣時間常數(shù)4.058ms，機(jī)械時間常數(shù)2.24ms。開關(guān)器件IGBT的延時時間ton=1.0μs，toff=1.2μs，開關(guān)頻率為10kHz，開關(guān)管的導(dǎo)通壓降為1.8V，二極管的導(dǎo)通壓降為2.5V，設(shè)定死區(qū)時間為5μs。采用2500線的增量式編碼器確定轉(zhuǎn)子的位置。死區(qū)補(bǔ)償方案的控制框圖如圖6所示。

圖6　死區(qū)補(bǔ)償控制框圖

3.1仿真驗(yàn)證

基于以上分析研究，利用MATLAB 2013Ra對矢量控制的PMSM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給定轉(zhuǎn)速為60r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3N·m。圖7、圖8分別為死區(qū)時間為2μs時，未采用死區(qū)補(bǔ)償算法和采用死區(qū)補(bǔ)償算法時的電流仿真波形。由圖7、圖8仿真結(jié)果可知，未采用死區(qū)補(bǔ)償算法時，相電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，電流在死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)平頂，零電流鉗位現(xiàn)象明顯，并且d軸電流存在明顯波動，穩(wěn)態(tài)情況下，相電流波形諧波含量較高，THD為7.50%。將本文提出的死區(qū)補(bǔ)償方法應(yīng)用于該矢量控制系統(tǒng)，由死區(qū)時間造成的誤差電壓得到了有效補(bǔ)償，并且逆變器的零電流鉗位現(xiàn)象得以消除，d軸電流波動減小，穩(wěn)態(tài)情況下電流質(zhì)量較好，諧波含量較低，THD為2.67%。

圖7　無補(bǔ)償情況電流仿真結(jié)果

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的死區(qū)補(bǔ)償策略的實(shí)用性和有效性，搭建基于TMS320F2812的測試平臺，如圖9所示。平臺包括負(fù)載模擬器、聯(lián)

圖8　補(bǔ)償后電流仿真結(jié)果

軸節(jié)、轉(zhuǎn)矩傳感器、加載電機(jī)、加載驅(qū)動器、負(fù)載控制和驅(qū)動器、控制器和計算機(jī)。死區(qū)補(bǔ)償算法如圖5所示。試驗(yàn)條件： 轉(zhuǎn)速為60r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3N·m。

圖9　試驗(yàn)測試平臺

圖10、圖11是補(bǔ)償前后A相電流試驗(yàn)波形。由圖10、圖11可見，采用本文提出的死區(qū)補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償后，A相電流波形質(zhì)量得到明顯改善，正弦度較好。

圖10　補(bǔ)償前試驗(yàn)波形

圖11　補(bǔ)償后試驗(yàn)波形

4　結(jié)　語

本文對逆變器的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了分析，針對眾多補(bǔ)償方法中的不足，提出了一種基于擾動電壓檢測的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償策略。為提高電流極性檢測的準(zhǔn)確性，由輸出電壓矢量角度來獲取三相電流方向；同時，為提高輸出波形質(zhì)量，采用一種零電流鉗位效應(yīng)消除方法，可以同時補(bǔ)償死區(qū)誤差電壓并消除零電流鉗位現(xiàn)象。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以明顯改善電流波形畸變，具有較好的實(shí)用性。

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Analysis and Compensation on Dead-Time Effect of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Space Vector Pulse Width Modulation*

LIUKun，F(xiàn)ANCaiyun，HANKun，ZHENShuai,HEQinglian

(XJ Electric Co., Ltd.， Xuji Group Gorporation, Xuchang 461000, China)

In motor driver, dead-time may prevent leg straight, while increasing the inverter output harmonic components, resulting the distorted voltage and current. Especially lead to the motor in unstable operation at low speed. To solve the problem, a dead-time compensation method was proposed, which was based on the detection of disturbed voltage. Firstly, to get the three-phase current direction by judging the output voltage vector angle, and then the compensation voltage vector was determined. Meanwhile, to improve the quality of the output waveform, it combined elimination method of zero-current clamp to the above compensation strategy. The method could compensate the error voltage caused by the dead-time and eliminate the zero-current clamp phenomenon. Simulation and experiments showed that this method could significantly improve the current waveform distortion, with good practical value.

dead-time effect; compensation voltage vector; error voltage; zero-current clamp; space vector pulse width modulation(svpwm); permanent magnet synchronous motor(PMSM)

河南省重大科技專項(xiàng)(141100210100)

劉堃(1983—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。

范彩云(1973—)，女，碩士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮觽鲃印?/p>

TM 351

A

1673-6540(2016)09- 0056- 06

2016-03-29