應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)矢量控制中的逆變器死區(qū)補(bǔ)償

范 波，徐 翔

(1.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機(jī)械股份有限公司， 河南 洛陽 471039)

應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)矢量控制中的逆變器死區(qū)補(bǔ)償

范 波1,2，徐 翔1

(1.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.中信重工機(jī)械股份有限公司， 河南 洛陽 471039)

為了減小電壓源型逆變器死區(qū)時(shí)間引起的輸出電壓畸變，對死區(qū)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，總結(jié)出三點(diǎn)原因，列出誤差電壓計(jì)算公式，最后運(yùn)用到感應(yīng)電機(jī)矢量控制中，對ua、ub、uc三項(xiàng)輸入到逆變器中的電壓進(jìn)行補(bǔ)償;該補(bǔ)償策略首先計(jì)算控制周期內(nèi)的誤差時(shí)間，算出誤差時(shí)間與電流的對應(yīng)關(guān)系，最后將算出的周期TS內(nèi)誤差電壓補(bǔ)償?shù)侥孀兤鬏斎攵松?通過補(bǔ)償誤差電壓，降低了電流諧波對控制系統(tǒng)的影響，同時(shí)電網(wǎng)側(cè)的能量利用率得到了提高;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略對電流波形起到了改善作用。

電壓源型逆變器；死區(qū)補(bǔ)償；電流諧波

0 引言

無速度傳感器矢量控制使異步電機(jī)可以像直流電機(jī)一樣達(dá)到高控制精度，所以現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)控制中，磁鏈估算的準(zhǔn)確性是控制精度的前提。在多種矢量控制算法中，感應(yīng)電動(dòng)勢的積分都直接或間接的影響了磁鏈的估算[1]，而感應(yīng)電動(dòng)勢又依賴于定子電壓測量的準(zhǔn)確性，考慮到成本及精度的原因，采用矢量脈沖寬度調(diào)制(SVPWM)模塊的輸出電壓代替定子電壓[2]。

空間矢量脈沖寬度調(diào)制電壓源型逆變器低頻和輕載時(shí)的死區(qū)效應(yīng)使電機(jī)相電壓和相電流畸變、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低[3]。為提高系統(tǒng)性能，對死區(qū)進(jìn)行研究是非常必要的。

目前國內(nèi)提出的死區(qū)補(bǔ)償方法主要分為前饋方式和反饋方式兩種。反饋方式需要借助光耦捕獲脈寬信號，用DSP的脈寬捕獲單元可以得到脈寬寬度[4]，這種方式將電壓整形成了標(biāo)準(zhǔn)方波，以及DSP檢測存在滯后，A/D轉(zhuǎn)換精度等原因，導(dǎo)致精度難以得到提升。前饋方式基于方波和梯形波模型，前者容易造成電流鉗位[5]，后者需要計(jì)算電流相位角[6]。另外還有人工檢測的方法[7]，工作量巨大，不適合規(guī)模化。

文獻(xiàn)[8]把管壓降分為兩部分：一部分隨電流變化，另一部分為閾值電壓。文獻(xiàn)[9]計(jì)算誤差電壓時(shí)只考慮了IGBT的驅(qū)動(dòng)延時(shí)、開關(guān)延時(shí)及器件延時(shí)。文獻(xiàn)[10]提出了通過人工檢測得到不同電流下的輸出電壓延時(shí)，然而需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行繁重的手工操作，在工業(yè)生產(chǎn)中不適用。文獻(xiàn)[11]將非線性誤差電壓值記錄在查找表里，只是簡單的測量記錄，對于多頻率的變頻器需要多次測量。

1 逆變器非線性原理分析

1.1 計(jì)算誤差電壓

圖1 帶有電機(jī)負(fù)載的三相逆變器結(jié)構(gòu)

圖1為典型的三相電壓源型電壓驅(qū)動(dòng)逆變器系統(tǒng)。逆變器中各相輸出電壓由開關(guān)管控制，各相兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則可能損壞變壓器，造成電網(wǎng)側(cè)不穩(wěn)定短路并跳閘，影響工業(yè)用電安全。為了防止逆變器單項(xiàng)同時(shí)導(dǎo)通，引入死區(qū)時(shí)間Td。但是這樣導(dǎo)致一部分電網(wǎng)能量沒有傳給電機(jī)，電機(jī)達(dá)不到良好性能，影響工業(yè)生產(chǎn)效率，為此便對死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。為了便于死區(qū)時(shí)間的分析，首先約定電流流入電機(jī)的方向?yàn)檎鞒鲭姍C(jī)的方向?yàn)樨?fù)。以A相為例：當(dāng)A相電流IA>0時(shí)，A相輸出電壓Ua由A相橋臂上管T1控制；當(dāng)A相電流IA<0時(shí)，A相輸出電壓Ua由A相橋臂下管T2控制。由于死區(qū)時(shí)間的存在，逆變器在死區(qū)時(shí)間內(nèi)輸出電壓的大小不受開關(guān)管控制，由輸出電流的方向來決定。

圖2為A相電壓誤差波形圖。圖中SAP*表示A相上管理想PWM開通關(guān)斷信號，是Vdc經(jīng)過PWM模塊產(chǎn)生的。SAp和SAn分別為管理A相上下管的PWM控制信號，Td為死區(qū)時(shí)間。VAN為輸出的電壓脈沖波形，虛線為理想值，粗實(shí)線為實(shí)際值。

圖2 A相電壓誤差波形圖

當(dāng)IA>0時(shí)，逆變器輸入輸出的誤差電壓為：

(1)

當(dāng)IA<0時(shí)，逆變器輸入輸出的誤差電壓為：

(2)

兩式可以合并成：

(3)

其中總輸出延時(shí)為：ttotal=Td+tturn-on-tturn-off。

可以通過式(3)計(jì)算電壓誤差。tturn-on為開通延時(shí)時(shí)間，tturn-off為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間，v*為本算法所采取的直流激勵(lì)電壓，fPWM為所采用直流激勵(lì)的頻率,sign(i)取±1，當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r(shí)取+1，當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)取-1。IGBT正向?qū)▔航蹬c電流的對應(yīng)關(guān)系Vs-i曲線和二極管正向?qū)▔航蹬c電流的對應(yīng)關(guān)系Vd-i曲線可以由器件的手冊或人工測量得到[12]。Vdc可通過測量得到，電機(jī)運(yùn)行中變化較小，通常認(rèn)為常量。如果要提高精確度，可以將Vdc隨電流的變化過程也考慮進(jìn)去，但是這樣會(huì)增加檢測難度和成本。

1.2 死區(qū)效應(yīng)分析

圖3為A相電流ia>0時(shí)的電路圖。其中SAp打開，SAn關(guān)閉，電流流過SAn的二極管與流過SAp的電流匯合形成A相電流。

圖3 A相電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)分析可以得出導(dǎo)致逆變器輸出電壓誤差的原因分為三種[13-17]：

1)IGBT的本身特性，其正向?qū)▔航礦S和二極管導(dǎo)通壓降Vd，二者與導(dǎo)通的電壓和溫度有關(guān)。

2)死區(qū)時(shí)間造成的誤差。死區(qū)造成的誤差電壓隨著載波頻率的變化而變化。

3)開通、關(guān)斷延時(shí)引入的誤差Eturn。包括控制信號傳遞延時(shí)tpd，開關(guān)延時(shí)tsd和IGBT正向電壓上升、下降時(shí)間tr和tf，由于電壓成斜坡上升或者下降，其等效延時(shí)為上升、下降時(shí)間的一半。

以上三種因素構(gòu)成了主要的逆變器非線性電壓誤差。

2 死區(qū)補(bǔ)償

圖4 具有死區(qū)補(bǔ)償?shù)母袘?yīng)電機(jī)矢量控制框圖

誤差電壓的估計(jì)值和真實(shí)值之間的關(guān)系為：

(4)

(5)

將式(3)代入式(5)得總延時(shí)時(shí)間：

(6)

由于采用直流激勵(lì)，v*相對于Vdc很小，Vs的值接近Vd，所以Vs-Vd接近于0，由于RS1和RS2是采用同一電流進(jìn)行兩次測量得到的真實(shí)電阻值，所以RS1-RS2很小，故忽略(Vs-Vd)·v*/Vdc和RS1-RS2項(xiàng)，d為占空比，d=vAN/Vdc。

理想輸出電壓與實(shí)際輸出電壓在周期TS內(nèi)的誤差電壓可以表示為：

(7)

通過以上分析，在靜止坐標(biāo)系下可以得到三相誤差電壓，最終可以補(bǔ)償?shù)阶冾l器的輸入端。

如圖4所示，試驗(yàn)中，根據(jù)計(jì)算得到的三相靜止軸系中的誤差電壓與實(shí)際輸入到逆變器中的三相靜止坐標(biāo)系下的電壓相加達(dá)到補(bǔ)償效果。

該補(bǔ)償方法適用于電機(jī)矢量控制中，其特點(diǎn)是測量過程中不引入電機(jī)定子電阻項(xiàng)，不會(huì)對測量結(jié)果造成干擾。測量過程可以通過控制器自行實(shí)現(xiàn)，不會(huì)產(chǎn)生人為測量誤差。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，異步電機(jī)額定功率2 238 W，額定電壓220 V，額定頻率50 Hz，定子電阻0.435 Ω，轉(zhuǎn)子電阻0.816 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.089 kg·m2，摩擦系數(shù)0.005 N·m·s，漏感0.002 H，互感0.069 31 H，電機(jī)極對數(shù)2，采用simulink仿真，死區(qū)時(shí)間設(shè)定為5 μs，開關(guān)頻率為5 kHz。電機(jī)期望轉(zhuǎn)速設(shè)為1 400 rpm。

圖5 采用本文所述方法補(bǔ)償后的A項(xiàng)定子電流對比圖

圖6 采用反饋方式補(bǔ)償后的A相定子電流對比圖

由圖中可知電機(jī)在0.35秒左右轉(zhuǎn)速到達(dá)穩(wěn)態(tài)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流波動(dòng)較大，圖5顯示采用本文的方法補(bǔ)償后得到的定子A相電流與理想情況下的定子電流幾乎吻合，圖6所采用的反饋補(bǔ)償方式與理想定子A相電流存在一定差距。

圖7 沒有死區(qū)補(bǔ)償?shù)腁項(xiàng)電流

圖8 采用本文所述方法補(bǔ)償后的A項(xiàng)電流

圖9 采用反饋方式補(bǔ)償后的A項(xiàng)電流

圖7～9分別為死區(qū)補(bǔ)償前后電流的諧波含量示意圖，基頻為50 Hz，取A項(xiàng)電流0.4秒穩(wěn)定之后的一個(gè)周期進(jìn)行FFT諧波分析，死區(qū)補(bǔ)償后2、3次諧波含量降低，THD也明顯減小。圖8與圖9比較可知，采用本文所述方法比反饋補(bǔ)償效果明顯。死區(qū)補(bǔ)償后，諧波含量減小，電網(wǎng)側(cè)能量利用率提升。實(shí)驗(yàn)在Matlab平臺搭建進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)效果良好。

4 結(jié)論

本文將死區(qū)延時(shí)的算法應(yīng)用到了異步電機(jī)的矢量控制中，該算法不用考慮電流的方向問題，通過對兩個(gè)隨時(shí)間由0逐漸增大的不同頻率的電流自動(dòng)檢測得到不同電流值對應(yīng)的電壓誤差估計(jì)值與真實(shí)值之間的關(guān)系，兩次測量值相減后消去估算電阻并計(jì)算每一個(gè)電流值對應(yīng)的ttotal。電流過零時(shí)誤差電壓不能用式(3)表示，可以近似為線性關(guān)系，延遲時(shí)間在零點(diǎn)被強(qiáng)制在0，因此誤差時(shí)間可以中心對稱到第三象限，最后在Matlab平臺上搭建模型，實(shí)現(xiàn)了算法的可行性驗(yàn)證。

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Dead Zone Compensation Applied to Induction Motor Vector Control in Inverter

Fan Bo1,2,Xu Xiang1

(1.College of Electrical Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China;2.CITIC Heavy Industries Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

In order to reduce the voltage source type inverter output voltage distortion caused by dead-time, analyze the dead zone reason, Summed up the three reasons, The calculation formula of error voltage is listed to applied to induction motor vector control, compensate the inverter voltage which the three of voltageua,ub,ucinput into. The compensation strategy firstly calculates the error time in control cycle, calculate the error of a corresponding relationship with the current time, finally to calculate the error voltage compensation within the periodTSto the inverter input. By compensationing error voltage, we reduced the influence of the current harmonics to the control system, improved the energy utilization of the power grid side. The experimental results show that the strategy have played an important role to improve current waveform.

voltage source inverter; dead-time compensation; current harmonic

2016-04-07；

2016-06-21。

范 波(1975-)，男，河南洛陽人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事大容量功率變換與高壓交流調(diào)速系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0070-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.019

TM346+.2

A