基于空間矢量脈寬調制的永磁同步電機死區效應分析與補償*

劉　堃，　范彩云，　韓　坤，　甄　帥，　何青連

(許繼集團有限公司 許繼電氣股份公司,河南 許昌　461000)

?

基于空間矢量脈寬調制的永磁同步電機死區效應分析與補償*

劉堃，范彩云，韓坤，甄帥，何青連

(許繼集團有限公司 許繼電氣股份公司,河南 許昌461000)

逆變器死區時間使逆變器輸出諧波分量增加，電壓和電流發生畸變，甚至導致電機在低速下的不穩定運行。為解決上述問題，提出一種基于擾動電壓檢測的死區效應補償策略。通過判斷輸出電壓矢量角度獲取三相電流方向，從而確定補償電壓矢量。同時，為提高輸出波形質量，結合一種零電流鉗位效應消除方法，可以同時補償死區引起的誤差電壓和消除零點電流鉗位現象。仿真和試驗結果表明該方法能明顯改善電流波形畸變，具有很好的實用價值。

死區效應； 補償電壓矢量； 誤差電壓； 零點電流鉗位； 空間矢量脈寬調制； 永磁同步電機

0　引　言

空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM)技術由于直流電壓利用率高、諧波少等特點，被廣泛應用于永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM)的調速控制[1-3]。然而，實際的功率器件存在開關延時，所以并非是理想的開關器件。在電機驅動中，為防止橋臂直通，通常會設置死區時間，但死區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，使輸出電壓發生嚴重的波形畸變，導致調速系統的動靜態性能下降，且低頻振蕩嚴重[4]。

為了補償死區效應，需要對死區時間引起的誤差電壓進行補償。目前常用方法有電壓反饋型和電流反饋型兩種[5-6]。補償原理是設法產生一個與畸變電壓大小等同、方向相反的補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檢測電路檢測出來，將上一次電壓差的一個比例值作為補償電壓加在此次電壓給定值上作為最終的補償值。該方法可以補償死區造成的不良影響，但需要增加檢測每相電壓值的硬件電路，結構復雜[7]。

電流反饋型利用三相電流的方向確定相應的補償函數，其不需要增加硬件電路，在原有電機驅動器的基礎上用軟件即可實現。但在實際中，由于死區時間會帶來零點電流鉗位現象，電流的過零點存在一定的模糊性，難以直接準確測定，從而影響了補償效果[8]。

除上述方法外，也有大量文獻提出了不同的死區補償方案。文獻[9-10]利用電流方向檢測和伏秒平衡的方法對死區進行了補償。文獻[11]通過檢測d-q軸電流誤差，將電流閉環與死區補償相結合。該方法不需要增加額外的硬件電路，但是補償效果受電流控制器的影響。文獻[12]針對H橋靜止無功發生器中死區帶來的誤差電壓和零點電流鉗位，提出延長或縮短開關器件的占空比時間來補償死區效應。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[13-14]采用模糊補償算法實時計算由死區導致的誤差電壓，將前饋控制應用于誤差電壓補償中。文獻[15-16]提出一種擾動觀測器的補償方法，把死區效應引起的誤差電壓作為系統擾動，采用擾動觀測器估算補償信號，但是需要通過大量試驗來得到合適的控制參數。

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

1　死區效應分析

SVPWM技術是從電機的角度出發，使電機獲得幅值不變的圓形磁場(即正弦磁通)。電機驅動器通過三相橋臂的不同開關模式產生磁通來逼近基準磁通圓，而死區時間會產生空間矢量誤差，使得形成的磁場偏離圓形磁場，降低電機性能。三相PMSM驅動器中通常采用三相全橋電路拓撲，定義相電流流向電機側為正方向，如圖1所示。

圖1　電壓型逆變器主電路結構

為了定量分析死區時間給驅動器帶來的影響，以A相橋臂為例對死區時間引起的電壓空間矢量誤差進行定量分析。圖2是A相橋臂驅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，即無死區加入時開關管的導通時間；td為加入上下橋臂占空比切換時的死區時間；ton和toff分別為開關器件的導通延時和關斷延時時間；ts為一個開關周期。圖2中： (a)、(b)為理想情況下，A相橋臂上、下管驅動信號；(c)、(d)為加入死區時間后，A相橋臂的驅動信號；(e)為實際輸出A相電壓波形，陰影部分為死區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相電流的方向。

圖2　死區效應示意圖

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

當ia>0時，

(1)

當ia<0時,

(2)

由式(1)、式(2)可得

uan=Udeadsgn(ia)

(3)

其中：

(4)

(5)

實際上，開關器件存在導通壓降。所以式(4)可表示為

(6)

式中：Uan——A相擾動電壓；

Udc——逆變器直流側電壓；

Us、Ud——開關器件的導通壓降和二極管導通壓降；

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，由死區時間引起的電壓畸變和電流的極性相關，與電流的大小無關。圖3表示了這種關系。

圖3　電流極性與端電壓畸變的對應關系

圖3中，電壓畸變的變化方向與電流方向相反。相電流由負變為正，端電壓減小；相電流由正變為負時，端電壓增大。這種相反的變化使得電流鉗位在零點，故稱為零電流鉗位現象。零電流鉗位現象會導致輸出電壓的進一步畸變。

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

2　死區效應補償策略

2.1補償電壓矢量的確定

通過以上分析，可以看出死區補償的前提是準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+表示電流流向負載，符號-表示電流由負載流向逆變器。

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，轉子磁通始終保持與旋轉坐標系(d-q坐標系)d軸方向一致，而定子電流方向保持與q軸方向一致。設d軸與固定坐標系α軸之間的電角度為θe，當θe在[-60°，0°]區間時，與圖4中[30°，90°]區間相對應。因此，可以得出電角度與電流極性及補償電壓關系如表1所示(電角度可以由編碼器反饋得到)。

表1　電流矢量與補償電壓關系

2.2零點鉗位現象消除

將abc三相坐標系下的補償電壓變換到兩相旋轉坐標系下可得

(9)

其中：

(10)

式(3)、式(7)、式(8)中的相電流在d-q旋轉坐標系下表示為

(11)

由式(9)～式(11)可以得到旋轉坐標系下的擾動電壓為

(12)

在矢量控制中，采用id=0的控制策略。因此，可將旋轉坐標系下的補償電壓簡化為

(13)

在旋轉坐標系下，d軸的補償電壓是頻率為相電流頻率6倍的鋸齒波。其幅值為

(14)

零電流鉗位效應消除策略如下：

(3) 根據三相電流中最小的相此刻正處于過零點，改變該相電流極性。

圖5為死區補償算法流程圖。

圖5　補償算法流程圖

3　仿真與試驗

PMSM參數如下： 額定功率1.5kW，額定轉速3000r/min，額定電流6A，極對數4，相繞組電阻0.567Ω，相繞組電感2.3167mH，電氣時間常數4.058ms，機械時間常數2.24ms。開關器件IGBT的延時時間ton=1.0μs，toff=1.2μs，開關頻率為10kHz，開關管的導通壓降為1.8V，二極管的導通壓降為2.5V，設定死區時間為5μs。采用2500線的增量式編碼器確定轉子的位置。死區補償方案的控制框圖如圖6所示。

圖6　死區補償控制框圖

3.1仿真驗證

基于以上分析研究，利用MATLAB 2013Ra對矢量控制的PMSM系統進行仿真，給定轉速為60r/min，負載轉矩為3N·m。圖7、圖8分別為死區時間為2μs時，未采用死區補償算法和采用死區補償算法時的電流仿真波形。由圖7、圖8仿真結果可知，未采用死區補償算法時，相電流發生嚴重畸變，電流在死區時間內出現平頂，零電流鉗位現象明顯，并且d軸電流存在明顯波動，穩態情況下，相電流波形諧波含量較高，THD為7.50%。將本文提出的死區補償方法應用于該矢量控制系統，由死區時間造成的誤差電壓得到了有效補償，并且逆變器的零電流鉗位現象得以消除，d軸電流波動減小，穩態情況下電流質量較好，諧波含量較低，THD為2.67%。

圖7　無補償情況電流仿真結果

3.2試驗驗證

為進一步驗證本文提出的死區補償策略的實用性和有效性，搭建基于TMS320F2812的測試平臺，如圖9所示。平臺包括負載模擬器、聯

圖8　補償后電流仿真結果

軸節、轉矩傳感器、加載電機、加載驅動器、負載控制和驅動器、控制器和計算機。死區補償算法如圖5所示。試驗條件： 轉速為60r/min，負載轉矩為3N·m。

圖9　試驗測試平臺

圖10、圖11是補償前后A相電流試驗波形。由圖10、圖11可見，采用本文提出的死區補償策略進行補償后，A相電流波形質量得到明顯改善，正弦度較好。

圖10　補償前試驗波形

圖11　補償后試驗波形

4　結　語

本文對逆變器的死區效應進行了分析，針對眾多補償方法中的不足，提出了一種基于擾動電壓檢測的死區效應補償策略。為提高電流極性檢測的準確性，由輸出電壓矢量角度來獲取三相電流方向；同時，為提高輸出波形質量，采用一種零電流鉗位效應消除方法，可以同時補償死區誤差電壓并消除零電流鉗位現象。仿真和試驗結果表明該方法可以明顯改善電流波形畸變，具有較好的實用性。

[1]肖海峰，劉海龍，賀昱矅，等.基于電壓空間矢量控制PMSM系統新型死區補償方法[J].電工技術學報，2013，28(8)： 114-119.

[2]楊瀾倩，唐校，萬穎，等.SVPWM過調制算法磁鏈分析及在永磁同步電機驅動中的應用[J].電機與控制應用，2014，41(7)： 6-9.

[3]任先進，余繼良，王峰，等.永磁同步電機空間矢量脈寬調制系統仿真[J].電機與控制應用，2014，41(9)： 12-16.

[4]張輯，彭彥卿，陳天翔.一種基于電流空間矢量的新型死區補償策略[J].電工技術學報，2013，28(6)： 128-132.

[5]黃文卿，張興春，張幽彤.一種交流逆變器死區效應半周期補償方法[J].電機與控制學報，2014，18(5)： 23-29.

[6]張冀，徐科軍.矢量控制電動執行器死區補償新方法[J].電子測量與儀器學報，2015，29(2)： 272-281.

[7]LIN Y K, LAI Y S. Dead-time elimination of PWM-controlled inverter/converter without separate power sources for current polarity detection circuit[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(6) ： 2121-2127．

[8]羅毅飛，劉賓禮，汪波，等.IGBT開關機理對逆變器死區時間的影響[J].電機與控制學報，2014，18(5)： 62-68.

[9]PARK O S, PARK J W, BAE C B, et al. A dead time compensation algorithm of independent multi-phase PMSM with three-dimensional space vector control[J]. J Power Electron,2013,13(6)： 886-894.

[10]INOUE Y, YAMADA K, MORIMOTO S, et al. Effectiveness of voltage error compensation and parameter identification for model based sensorless control of IPMSM[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(1) ： 213-221．

[11]喬鳴忠，夏益輝，朱鵬，等.基于電流閉環和死區補償的變頻驅動調速系統低頻振蕩抑制[J].電工技術學報，2014，29(11)： 127-133.

[12]楊榮峰，隨順科，徐榕，等.級聯SVG控制策略及死區補償技術研究[J].電機與控制學報，2014，18(10)： 36- 41.

[13]劉棟良,武瑞斌,張遙,等.基于模糊控制零電流鉗位逆變器死區補償[J].電工技術學報，2011，26(8)： 119-124.

[14]SEON-HWAN H, JANG-MOK K. Dead time compensation method for voltage-fed PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2010，25(1) ： 1-10．

[15]李春鵬,賁洪奇,孫紹華，等.采用擾動觀測器的并網逆變器死區補償方法[J].電機與控制學報，2013，17(3)： 28-33.

[16]LEE D H, AHN J W. A simple and direct dead-time effect compensation scheme in PWM-VSI [J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50(5)： 3017-3025.

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

LIUKun，FANCaiyun，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(141100210100)

劉堃(1983—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為大功率電力電子技術。

范彩云(1973—)，女，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力電子傳動。

TM 351

A

1673-6540(2016)09- 0056- 06

2016-03-29