新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)中的死區(qū)分析及補償

楊家印

摘 ?要：隨著新能源汽車的發(fā)展，對其電機伺服系統(tǒng)的控制要求越來越高。該文對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)進行了分析，從原理上找出了死區(qū)存在的原因，并進一步對消除死區(qū)的控制策略進行了研究。從理論上實現(xiàn)了對電機伺服系統(tǒng)中死區(qū)的補償，為同步電機的控制分析提供一定參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;同步電機;伺服系統(tǒng);死區(qū)補償

中圖分類號：TM303 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和傳統(tǒng)燃油車排放問題愈發(fā)凸顯，新能源汽車市場需求越來越大，同時新能源汽車的技術(shù)發(fā)展也越來越快。在新能源汽車的硬件快速發(fā)展的同時，對其軟件控制系統(tǒng)也隨之提出了更高的要求。在新能源汽車的硬件系統(tǒng)中，電機是重要部件之一，目前應(yīng)用比較普及的是永磁同步電機和無刷直流電動機2種。永磁同步電機在新能源汽車上的控制理論基礎(chǔ)是1971年A.A.Clark等人申請的專利“異步電機定子電壓的坐標變換控制”。后隨著研究的不斷發(fā)展和深入，國內(nèi)外均對其進行了深入的研究。該文以新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)作為研究對象，對其死區(qū)進行一定分析和補償研究。

1 新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)控制策略簡述

1.1 硬件支撐系統(tǒng)

對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)進行分析的前提是建立在其硬件支撐系統(tǒng)上的，為此先對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)的硬件支撐系統(tǒng)進行簡述。

該文所分析的新能源汽車同步電機為永磁同步電機，其額定輸入電壓為330 V，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，額定功率為30 kW。同時借鑒行業(yè)經(jīng)驗以及電機特性，硬件主控器選用的DSP型號為TMS320LF2812A，驅(qū)動信號輸出及保護電路選擇CPLD。其他一些硬件的選擇不單獨列出，其硬件系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

在圖1中，其CAN通信接口、電壓電流AD、用戶數(shù)字控制按鈕等模具均與主控系統(tǒng)構(gòu)成雙向傳遞，單片機處理溫度傳感器檢測的數(shù)據(jù)。

1.2 軟件系統(tǒng)

該文所分析的系統(tǒng)硬件電機采用的是嵌入式永磁同步電機，這種電機具有交軸和直軸電感差異比較大的特性。在實際應(yīng)用上，也正是利用這一特性來擴展同步電機的速度范圍，以獲得更優(yōu)異的速度控制效果。結(jié)合其電機這一特性，并從工程應(yīng)用的角度和現(xiàn)有成熟的控制方案入手，采用弱磁控制和最大轉(zhuǎn)矩電流比（縮寫為：MTPA）相結(jié)合的辦法。前者是同步電機在恒功率區(qū)工作，當產(chǎn)生的反電動勢與逆變器電壓極值相等時，就會出現(xiàn)由于無法實現(xiàn)對電機進行電流控制而導(dǎo)致不能提高轉(zhuǎn)速的情況發(fā)生，這個時候就需要弱磁控制。對應(yīng)的這個臨界速度值如式（1）所示。

由于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和弱磁控制均是采用矢量控制法，那么控制框圖和矢量控制是一樣的。但是由于兩者的電流特性不同，因此需要修正一些關(guān)鍵部分。

2 新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)中死區(qū)原理分析

為對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)中的死區(qū)原理進行分析，下面給出其同步電機的驅(qū)動電路原理圖，如圖2所示。

由圖2可知，原理上同一相的上橋臂和下橋臂會存在同時導(dǎo)通發(fā)生短路的可能。那么為了避免這種情況，就需要在絕緣柵雙極型晶體管（簡稱：IGBT）中計入死區(qū)時間。實現(xiàn)這種加入死區(qū)時間的辦法有2種，第1種的控制思路是將準備關(guān)斷的功率管與理想波形同時關(guān)斷，而讓準備開通的功率管延遲一定時間（通常在程序中設(shè)定）后再開通。第2種控制思路是讓準備關(guān)閉的功率管此理想波形的提前一定時間關(guān)斷，同時讓準備開通的功率管延遲相同的時間后開通。將上述思路，采用波形圖表達，如圖3、圖4所示。

圖4中，準備關(guān)閉的功率管比理想波形提前關(guān)斷的時間為Td/2。在圖3和圖4中，（A）表示不含死區(qū)時間的A相理想電壓輸出波形Ua0;（B）表示功率管正電壓的實際控制波形Ua+;（C）表示功率管負電壓的實際控制波形Ua-，后綴0代表關(guān)斷，1代表開通;（D）是A相實際電壓輸出波形Ua;（E）是A相誤差電壓輸出波形Ua-Ua0。

那么，這個設(shè)定的功率管延遲時間就是死區(qū)時間。在這個時間內(nèi)，上下功率管都不導(dǎo)通。這會帶來誤差電壓脈沖、波形畸變等問題。

3 新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)中死區(qū)補償策略

根據(jù)上面對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)中死區(qū)的原理的分析，該文采用這樣的辦法對其進行補償：設(shè)功率管延遲時間也就是死區(qū)時間為Td，然后在該死區(qū)時間下計算獲得死區(qū)效應(yīng)的電壓矢量（用Ud表示），并將其補償矢量項作為基本電壓矢量項應(yīng)用于矢量控制中SVPWM的生成階段，這樣就可以實現(xiàn)死區(qū)補償。

在具體補償計算方法上，一般采用基本電壓矢量畸變補償法。在極坐標下對其進行扇區(qū)劃分，然后根據(jù)參考電壓所在扇區(qū)選取相鄰基本矢量電壓和零電壓進行合成。這樣就可以對由于基本電壓矢量畸變而帶來的幅值偏差按不同扇區(qū)進行補償。結(jié)合圖5，舉例分析其補償過程。

同理可以進一步計算得出不同扇區(qū)、不同電流極性下，死區(qū)效應(yīng)電壓矢量Ud在理想電壓矢量Us相鄰兩相基本矢量投影的情況。這樣，就可以推導(dǎo)得出全空間內(nèi)存在的36種Udc、Udy。下面以第一扇區(qū)Ⅰ舉例，用列表的方式導(dǎo)出其Udc、Udy表達式（見表1）。

在實際工程應(yīng)用上，上述這種補償方法需要將扇區(qū)劃分為36個，這樣計算量大，而且較為煩瑣。因此，可以采用這樣的辦法對其進行簡化：將電壓Ud向靜止兩項坐標系α、β投影，得到死區(qū)電壓矢量，用Udα，Udβ表示。這樣，就可以使用靜止坐標系下理想?yún)⒖茧妷海ㄓ肬α，Uβ表示）來計算得到圖2中各個橋臂的開閉時間，然后利用補償法，計算其死區(qū)電壓Udα，Udβ對理想電壓Uα，Uβ的影響，以此來準確定量消除死區(qū)的影響。同樣，再以列表的方式獲得死區(qū)電壓矢量Udα，Udβ的表達式（見表2）。

4 結(jié)語

該文對新能源汽車同步電機伺服系統(tǒng)的控制策略進行了介紹，分析了控制策略中死區(qū)存在的原因，并結(jié)合工程實際提出了補償策略，為同步電機伺服系統(tǒng)的控制提供了一定分析和參考。

參考文獻

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