永磁同步電機逆變器死區補償技術(shù)

現今工業(yè)伺服驅動(dòng)中多采用驅動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(pmsm)的交流伺服系統，其交流驅動(dòng)單元使用三相全橋電壓型逆變器。pwm調制的變頻控制技術(shù)實(shí)現了對交流電機動(dòng)態(tài)轉矩的實(shí)時(shí)控制，大大提高了伺服系統的控制性能。

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

逆變器死區補償方法綜述

為補償td引起的電壓波動(dòng)，研究人員提出了各種補償方法，大致可劃分為三類(lèi)。

最普遍的方法是在電流極性相同的區間內，根據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(jiǎn)單的方法是對極性相反的相實(shí)行二倍的電壓過(guò)補償，使三相電壓死區影響相互抵消，線(xiàn)電壓波形為正弦形[1]。文獻[2]詳細分析了死區產(chǎn)生的原因和影響，并根據模擬調制和數字調制分別給出了死區的硬件電路補償方法。文獻[3]根據全橋電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提出了一種帶死區補償的逆變器數學(xué)模型，該模型的特點(diǎn)是由簡(jiǎn)單的滯環(huán)結構組成，根據此模型可由一計算公式實(shí)現死區補償。

第二類(lèi)方法是根據無(wú)效器件原理實(shí)現死區補償的。在任意時(shí)刻，逆變器每一橋臂兩個(gè)功率器件中只有一個(gè)是有效的。當上橋臂器件關(guān)斷時(shí)，不論下橋臂器件是否導通，輸出電壓都是直流母線(xiàn)的負端電壓，此時(shí)稱(chēng)下橋臂器件是“無(wú)效”的。死區補償的辦法是，維持有效器件的驅動(dòng)信號不變，改變無(wú)效器件的驅動(dòng)信號使之滿(mǎn)足設置死區的要求。既然“無(wú)效”器件的通、斷并不影響輸出電壓狀態(tài)，那么也就不需要驅動(dòng)信號了，只給有效器件發(fā)出驅動(dòng)信號就可以了，這樣也就不需要加入死區，也就沒(méi)有什么死區補償的問(wèn)題了。但該方法在電流過(guò)零點(diǎn)處會(huì )由于誤差導致畸變，因此使用這個(gè)方法時(shí)要注意電流過(guò)零區域的處理。一些學(xué)者進(jìn)一步提出了改進(jìn)方法。文獻[4]在電流過(guò)零點(diǎn)加一滯環(huán)，在滯環(huán)時(shí)間內使用正常的開(kāi)關(guān)死區保護，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(guò)零點(diǎn)附近的區域應給出兩路驅動(dòng)信號并加入死區及死區補償。利用pwm關(guān)斷時(shí)刻實(shí)現換流時(shí)的開(kāi)關(guān)死區保護，可消除開(kāi)關(guān)死區的影響。

第三類(lèi)方法是電流預測控制。建立較為準確的電機系統模型，分析電流波形的畸變量，通過(guò)電流的預測控制來(lái)實(shí)現電流波形的校正。文獻[6]提出了預測電流控制的死區問(wèn)題，通過(guò)估計反電勢補償電壓波形畸變和電流零點(diǎn)鉗位現象。文獻[7]建立異步電機模型的矩陣方程，根據對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旋轉坐標系下的pmsm模型設計觀(guān)測器，觀(guān)測q軸損失的電壓，通過(guò)公式折算成需補償的死區時(shí)間tc，實(shí)現死區的在線(xiàn)補償。文獻[9]時(shí)間延遲控制來(lái)估計死區導致的干擾電壓，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(shí)變的參數值直接相關(guān)，不易得到滿(mǎn)意的效果。

逆變器死區的影響

由pwm死區時(shí)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內的電壓偏差可用一方波來(lái)等效，為了分析方便，假定電壓偏差脈沖在時(shí)間上是等間距的，則等效方波的高度為：

隨著(zhù)電流極性的變化，誤差電壓脈沖的方向也隨著(zhù)發(fā)生變化，而且隨著(zhù)載波頻率的提高，誤差電壓脈沖出現的次數也隨之提高，雖然死區時(shí)間很短，只有幾個(gè)微秒，但是誤差電壓在一個(gè)周期之內累積起來(lái)，也會(huì )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(shí)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(jìn)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(kāi)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調制度，為調制正弦波幅值與三角波載波幅值的比值。

由上式可知，由于逆變器死區時(shí)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(kāi)關(guān)死區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。

·死區時(shí)間越長(cháng)，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。

·對于確定的死區時(shí)間，負載功率因數變小時(shí)，會(huì )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(shí)，空間電壓矢量幅值很小，三路橋臂相對導通時(shí)間變短，死區時(shí)間的影響變大。

·死區不僅影響輸出電壓幅值，還影響其相位;死區使pwm波形不再對稱(chēng)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(dòng)態(tài)死區補償方法

各種死區補償方法的一個(gè)共同特點(diǎn)是根據電流波形補償電壓信號。因此需要檢測實(shí)際電流值，判斷各相電流正負，以其過(guò)零點(diǎn)作為補償電壓信號的切換時(shí)刻。電流檢測環(huán)節由電流傳感器、低通濾波器和a/d轉換組成，為減小噪聲程序中還需加數字濾波。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(shí)際檢測到的電流信號很難精確補償死區影響，甚至會(huì )由于過(guò)零點(diǎn)附近的錯誤補償造成更大的電流畸變。

現今pmsm的轉矩控制多是通過(guò)矢量控制實(shí)現的，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(shí)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中，為實(shí)現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，施加電壓死區補償信號，補償的精度可以比實(shí)際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(jiàn)，磁場(chǎng)定向控制的電流矢量與轉子磁極成90°(電角度)，并與轉子同步旋轉。轉子磁極的位置可通過(guò)高分辨率的編碼器確定，經(jīng)過(guò)轉子磁場(chǎng)定向控制，電流按時(shí)間變化的電角度和磁極空間變化的空間旋轉角度重合，進(jìn)而可得到電流矢量的空間位置。根據電流矢量的空間位置，可以判斷出各相電流的過(guò)零點(diǎn)。

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

·當角度0《θ《π時(shí)，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(shí)， 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(shí)， 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為調整系數，一般取為0.7。

圖4和圖5為沒(méi)有加死區補償和加死區補償的實(shí)驗結果比較。由電流波形可以看出，無(wú)死區補償的電流在過(guò)零點(diǎn)處產(chǎn)生畸變，

有平的臺階。而加入以上提出的死區補償方法后，圖5所示實(shí)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(kāi)關(guān)死區效應對交流伺服系統的性能具有較大的影響，因此對開(kāi)關(guān)死區進(jìn)行校正補償是必要的。本文在分析了各種死區補償方法的基礎上，提出了一種基于位置檢測信號的動(dòng)態(tài)補償方法。該方法利用高分辨率的編碼器來(lái)提高電流方向的判斷精度，實(shí)驗證明具有較好的補償效果。