農用伺服電機的新穎在線死區補償方法

孫正海 王劍平 楊曉紅等

摘要對SVPWM伺服系統死區效應及在線死區補償方法進行了探討。常用的平均死區時間補償技術是根據參考電壓伏秒面積等于補償后伏秒面積原則，由于難以準確地得到電流的極性所以可能出現誤補償。該文在分析了死區效應對輸出電壓電流影響的基礎上，提出了一種低成本的死區補償方法。并通過將相電流進行旋轉坐標變換計算電流矢量角，間接判斷電流極性準確的求出了電流的過零點，從而得到較好的補償效果。最后在基于TMS320F2812研發的伺服驅動器上測試軟件，結果證明了該方法的正確性，有效地減小了死區時間造成的電流畸變并使零電流箝位現象得到明顯改善。

關鍵詞死區補償；在線測量；零電流箝位；伺服系統

中圖分類號S22文獻標識碼A文章編號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

目前伺服電機在農業方面的應用越來越廣泛，而對于理想的農業伺服電機功率器件而言，門級驅動信號應該是互補的。但是對于實際的功率器件而言，為了防止上下橋臂的開關直通，兩個開關需要加入一段死區時間，正是這段空白時間使得輸出電壓和實際給定電壓之間存在誤差。而每個斬波周期內引起的微小畸變積累起來就會造成嚴重的波形失真和基波電壓降。隨著開關頻率的增大，電壓失真和諧波成分也越大。由死區時間造成的死區效應會使輸出電壓電流畸變，出現零電流箝位現象以及轉矩、轉速脈動，嚴重影響了伺服驅動器的性能[1-3]。如果不對這部分進行補償，可能會造成電壓不穩定和額外的機械損耗。

目前，國內外學者提出的關于死區時間補償方法中，最主要是基于平均值理論的補償技術[4-7]和基于脈沖的補償方法[8-9]。基于平均值理論的補償技術將由于死區效應減少的電壓平均到整個周期里，并且補償到矢量指令電壓里，這種方法的難點在于準確的獲得電流的極性，避免誤補償。基于脈沖補償法雖然可以獲得一個較好的補償效果，但是在每個斬波周期里占用的采樣過程較長。目前，國內驅動器所用芯片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備，要么控制算法復雜占用了過多的系統資源[10-11]。

該文提出了一種新型死區補償方法，并且通過對電流進行旋轉坐標變換和其矢量角的應用，從而間接判斷電流極性。這種方法易加入到現有的伺服驅動器中，無需增加額外的硬件設備，只需添加少量代碼。目前已經成功應用于研發的低壓伺服驅動器，并取得了很好的效果。

1死區效應

國內目前的驅動器產品，一般是將死區時間配置成上升沿延時導通。現以三相電壓型逆變器的A相進行分析，如圖1。調制信號和載波信號相互比較后產生理想的門級驅動信號。由于死區時間的加入，上下橋臂的功率開關在這期間都處于阻斷的狀態。

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

2死區補償方法

采用一種新穎的死區補償方法，能有效改善由死區效應造成的影響。仍以A相來分析。當ia>0，上橋臂K1和續流二極管D2交替導通，無論K2是否有門級使能信號，都處于關斷狀態，此時K2是不控橋臂；同理當ia<0 時，K2和續流二極管D1交替導通，無論K1是否有門級驅動器信號，都處于關斷狀態，此時K1是不控橋臂。

這里采用一種改進的死區時間配置方法，原理如圖3所示。其中（a）圖為A相上下功率開關管的理想驅動信號；當ia>0時，不對K1設置死區時間，確保其有準確的開斷時間，而提前ts給K2關斷信號，并延時ts給開通信號，如圖3（b）；當ia<0時，不對下管K2設置死區時間，確保其有準確的開斷時間，而延時給K1開通信號，并提前給關斷信號，如圖3（c）。

圖3（d）為理想輸出電壓，圖3（e）為實際輸出電壓。可見采用上述死區補償方法后，實際輸出電壓與理想輸出電壓一致，從而避免了死區效應給輸出電壓帶來的影響。

3電流極性判斷

準確的判斷出相電流過零點對死區補償來說至關重要。現有實際應用技術當中大多通過硬件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，易造成誤補償；同時由于噪聲干擾和零電流鉗位現象的影響，在過零點的附近會出現多個過零點，因此難以獲得真實的電流過零點。若采用直接對采樣電流進行濾波又會使獲得的電流信號大大滯后，降低了系統的響應和電流環帶寬。

將相電流轉換到同步旋轉dq坐標系下，經過低通濾波器將高頻成分濾掉后，利用變換后的值來計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分別是經過濾波后的值。由式（2）可以得到電流矢量的空間絕對位置角θs。通過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，電流空間矢量扇區分為6個區域。類似于電壓空間矢量，通過電流矢量所在扇區就能獲得到電流極性。當其經過相鄰區間的時候即是其中一相的過零點。

4試驗平臺

為測試上述改進型死區補償算法的有效性和可行性，通過軟件仿真并移植到現已研發的低壓伺服驅動器上進行測試分析。該測試平臺是基于TI公司TMS320F2812作為主控芯片研發的三閉環SVPWM低壓伺服系統。功率器件采用IRF540N，通過IR2106S模塊進行驅動。電流以200 mΩ電阻采樣，經過信號調理電路送至DSP。軟件系統主要架構包括：內部電流環PI控制器，電流給定陷波濾波器；速度環PI控制器，反饋二階濾波器，加速度前饋控制器；位置環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，內部位置、速度模式等。同時開發了上位機軟件監控運行參數，可以更方便直觀地進行測試。在一臺400 W電機上進行試驗，具體電機參數見表2。

5測試結果與分析

DSP中功率開關死區時間配置為3.3us，斬波周期為01 ms，電流環帶寬最大1.5 kHz。在保證三環系統參數相同的情況下，分別測試了以下3種情況的相電流波形：無死區補償；直接用三相電流采樣值判斷極性的死區補償；以及改進型死區補償。通過將電流環的給定參考信號設置為不同幅值和頻率的正弦波，同時監控上位機和示波器上的反饋相電流波形來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），由于死區效應的影響，電流波形畸變明顯。尤其零電流鉗位現象使電流過零附近出現嚴重畸變。同時在波峰和波谷的位置均發生波形失真。圖6（b）和圖7（b）所示傳統死區補償的結果仍然存在較大的諧波。當加入改進型死區補償之后如圖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 。傳統補償方法相電流諧波畸變率為13.39%，而改進后諧波畸變率明顯降低只有5.96%，如圖8所示。

6結論

首先分析了死區效應產生的原因和影響。然后針對農業伺服驅動器提出了一種新的死區時間配置方法，有效的利用了不可控開關，保持有效橋臂開斷時間準確等于理想時間。提出通過計算電流矢量角來間接判斷電流過零點的方法，有效的避免了直接檢測電流極性帶來的誤差，提高了判斷的精度。這種死區補償方法不需要增加硬件設備，只需要增加少量代碼就可實現，可移植性強，降低系統成本。經過試驗證明該方法具有很好的效果，并已經成功的應用在開發的伺服驅動器上。

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