永磁電機無位置傳感器控制死區補償策略

楊陽， 王慶年 ， 龔依民， 劉春蘋

(1.吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130021；2.吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

永磁電機無位置傳感器控制死區補償策略

楊陽1， 王慶年1， 龔依民2， 劉春蘋2

(1.吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130021；2.吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

空間矢量脈寬調制；死區效應；死區補償；反電動勢觀測器；迭代控制

0 引 言

在電力電子控制發展的進程中，空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation，SVPWM)技術因其結構簡單，輸出波形可控等優勢被越來越廣泛的應用在逆變器控制中。死區時間的加入保證了逆變器控制的安全性，但也造成了電壓電流波形畸變，產生轉矩轉速脈動等死區效應[1-2]。因此探究死區補償十分必要也廣受關注。

對于死區效應有軟件和硬件兩類補償方案，軟件補償只通過算法不增加系統硬件結構和成本移植性好等優點被廣泛探究。大多數軟件補償都基于電流極性判斷，再進行相應的時間或電壓補償。文獻[3]把相電流極性判斷轉化為空間轉子角區間判斷，查表實現空間六個扇區分別對同步旋轉坐標系下兩相電壓補償。是比較經典的一種補償算法，但其實質仍是電流極性判斷，考慮到零電流鉗位效應，對扇區判斷的準確性很困難保證；文獻[4]構造低通濾波器，對電流進行重構，得到實際相電流和相角。提高了對電流極性判斷的準確性，能很好地改善電流鉗位造成的誤差，不過這種方法不僅移植性較差低通濾波器的參數也很難確定。考慮到電流極性判斷的難點，提出一些新穎的補償方法：文獻[5]通過線性補償，取相電流在零點附近ΔT范圍內d-q軸電壓，在2ΔT內進行線性補償。補償方法簡單且易于實現，但對于擾動或突變,其跟隨性和適應性都不夠理想；文獻[6]應用脈沖技術，分析死區效應對脈沖的影響,提出相應的補償方案，理論依據充分，但大量的計算轉化使其很難應用到實際控制中；文獻[7]利用擾動觀測器得到死區效應對應的擾動電壓，進行對應的時間補償,如何構造合適的擾動觀測器以適應不同電機、不同工況是其難點。綜上，零電流鉗位效應和硬件采集時零點附近擾動，增加了電流極性判斷的難度。一些補償方法存在設計復雜、抗干擾性實用性差的問題，本文旨在設計一種無需檢測電流極性，基于迭代控制算法，結構簡單實用性強的死區補償方法。

1 死區效應和電流鉗位效應分析

三相逆變器結構框圖如圖1所示，空間矢量脈寬調制(SVPWM)是按一定的規則對脈沖進行調制，來控制逆變器的開關管狀態。這些幅值相等的脈沖最終可實現等效控制。實際應用中開關管存在導通、關斷延遲及抖動等干擾，為了防止逆變器同相上下臂短路，在觸發脈沖中加入死區延時，但也由此導致了新的問題即死區效應。

圖1 電機三相逆變器結構圖Fig.1 Three-phase motor inverter diagram

設逆變器中電流流向電機為正方向(iu>0)，以A相逆變器電路(圖2(a))對死區效應原理分析：脈沖控制的開關類型和輸出電壓如圖2(b)所示，圖2(b)①描述的是理想狀態下控制的脈沖，此時不存在導通關斷延時，上下臂開關管可瞬間切換。實際控制中開關管導通關斷都是非理想的，為了保證安全在每臂開關管的導通脈沖前加一段死區延時,圖2(b)②反映的是加入死區后的控制脈沖，因導通時間受電流方向不同影響，可分析A相導通時間為

(1)

導致輸出電壓也產生相應變化。圖2(b)③反映的是A相理想狀態下的輸出電壓。圖2(b)④和圖2(b)⑤反映了A相考慮死區效應后的輸出電壓：

(2)

死區效應產生的誤差使實際輸出電壓不等于期望電壓，這是導致電流波形畸變電機性能變差的根本原因。

由圖2(c)分析可知，在死區時間內上下兩臂開關管都處于關斷狀態，開關管失去控制性能，這將阻礙電流朝反方向變化而鉗位在零點附近。特別是當電機低轉時輸出電壓較低，這種現象可能持續幾個采樣周期，產生明顯的零電流鉗位效應[8],這增加了電流極性判斷的難度,甚至引發錯誤補償，使零點附近電流波形畸變更加嚴重。

圖2 死區效應和零電流鉗位分析Fig.2 Dead time effect and zero current clamping effect

電機在實際運行中存在反電動勢，考慮到死區效應和零電流鉗位效應，則永磁同步電機d-q軸電壓方程為

(3)

2 基于迭代控制的死區補償

2.1 死區效應造成的電壓誤差分析

交流電機中電磁關系復雜，勵磁電流與轉矩電流相互耦合，本文采取磁場定向矢量控制(FOC)的方法，使轉矩電流和勵磁電流解耦實現獨立控制。由矢量控制圖3可知d-q軸電流PI控制器輸出ud與uq即為期望電壓。

圖3 無位置觀測器矢量控制框圖Fig.3 Vector control block diagram

(4)

圖4 永磁同步電機旋轉坐標系Fig.4 Permanent magnet synchronous motor rotating coordinate system

(5)

(6)

因為采樣時間極短，相鄰采樣周期電機轉速可視為不變，由公式(6)可知反電動勢的一階微分為零。

轉子d-q坐標系下設計全階狀態觀測器，取系統狀態方程和輸出方程分別為：

(7)

其中A、B、C參數矩陣可由方程(4)確定。

(8)

(9)

2.2 基于迭代控制死區補償

由無位置控制器矢量控制圖可知，在轉子旋轉坐標系下，反電動勢的期望值應為

(10)

圖5 補償框圖Fig.5 General compensation diagram

由上述的死區效應和零電流鉗位的分析可知Δud_dead、Δuq_dead是周期性的(如圖6)。

圖6 仿真d-q軸電壓誤差值Fig.6 Voltage errors result from dead-time effect in d-q reference frame

(11)

應用閉環PID迭代學習控制策略對電壓誤差進行PI控制：

應用Matlab仿真模塊把迭代補償整合到矢量控制圖中(如圖7)。

圖7 帶迭代補償的無位置矢量控制框圖Fig.7 Vector control block diagram with dead-time compensation

本文創新使用迭代控制算法，多次的迭代使目標軌跡無限趨近期望軌跡，對于觀測器自身誤差和突變誤差都能很快的自適應，實現理想跟隨。本文接下來將通過仿真和實驗證實這種迭代死區補償方法的有效性和實用性。

3 仿真與實驗

3.1 仿真研究

通過Matlab/SIMULINK搭建控制和仿真模型(設定采樣頻率8 kHz),圖8是未加入死區時間理想的三相電流波形和轉速波形仿真圖，圖9和圖10分別是加入死區時間5 μs和10 μs時的三相電流波形和轉速波形仿真圖。

圖8 三相電流和轉速仿真圖(Tdead=0)Fig.8 Simulation of three-phase current and speed with no dead-time

圖9 三相電流和轉速仿真(Tdead=5 μs)Fig.9 Simulation of three-phase current and speed with 5 μs dead-time

仿真結果表明隨著死區時間的增加，零電流鉗位效應和電流波形畸變現象越來越嚴重，電機轉速的波動也越來越明顯。在控制模型中加入迭代補償模塊后再進行仿真，圖11為(Tdead=5μs時)加入補償前后電流波形的對比，可知電流波形畸變和零電流鉗位效應有所改善。

3.2 實驗研究

測試臺架如圖12所示，空調風機電機基于英飛凌公司的XMC4500平臺，功率控制采用IPM(FNA41560B2)模塊，載頻8kHz,死區時間為3μs。電流波形由AgilentDSO6034示波器和FLUKSi400s電流探頭測得，測量精度為1mV/A。

圖10 三相電流和轉速仿真(Tdead=10 μs)Fig.10 Simulation of three-phase current and speed with 10 μs dead-time

圖11 補償前后三相電流仿真圖Fig.11 Simulation of the three phase current before and after compensation

實際實驗中無位置傳感器永磁同步電機在額定功率下運行，PMSM參數為：額定功率P=1 kW，極對數P=4，額定電壓380 V，定子電阻R=3.2 Ω。圖13、圖14分別是補償前后的電流波形和進行快速傅里葉變換后的諧波頻譜。

圖12 永磁同步電機硬件實驗平臺Fig.12 Hardware experimental platform of permanent magnet synchronous motor

圖13 補償前實驗電流波形和頻譜(Tdead=3 μs)Fig.13 Experimental current waveform and spectrum before compensation

比較圖補償前后發現：沒有進行死區補償前，電流波形正弦度較差,畸變較嚴重存在明顯的零電流鉗位現象；使用本文提出的迭代死區補償方法后電流波形正弦度明顯改善，零電流鉗位現象得到了有效抑制；在額定功率下，三相電流的諧波值都有所減少，特別是對影響較大的5、7次諧波有明顯的減少，5次諧波電流幅值分別從原來的50.8 mA 減為23.4 mA，7次諧波電流幅值分別從原來的47.1 mA減為9.6 mA，電流總諧波畸變率從 9.729%降為 4.293%；有效削弱了諧波影響，電流波形得到了一定的改善，抑制了零電流鉗位效應，實驗對比可知，本文提出的死區補償策略具有較好的性能。同時降低電機低速時的轉速轉矩脈動。

圖14 補償后的實驗電流波形(Tdead=3 μs)Fig.14 Experimental current waveform and spectrum after compensation

4 結 論

本文針對逆變器死區效應和零電流鉗位效應提出一種新穎的迭代控制死區效應補償方法，無需電流極性檢測，避免了傳統補償策略中電流極性檢測不準，補償效果不理想的問題。矢量控制輸出電壓期望值，創新設計觀測器模型來輸出電壓實際值，為保證快速適應和抗干擾能力，提出誤差迭代補償的方法，最后仿真和實驗都驗證了這種補償策略能夠有效地抑制零電流鉗位效應，降低低頻電流諧波，改善電流波形正弦度，是一種新穎有效的電流補償方法。

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(編輯：劉素菊)

Dead-time compensation strategy for sensorless control of permanent magnet synchronous motor

YANG Yang1， WANG Qing-nian1， GONG Yi-min2， LIU Chun-ping2

(1.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China；2.College of Physics，Jilin University，Changchun 130012，China)

space vector pulse width modulation; dead-time effect; dead-time compensation; EMF observer; iterative control

2016-02-19

國家自然科學基金(21327803)

楊 陽(1987—)，男，博士研究生，研究方向為電機控制； 王慶年(1952—)，男，教授，博士生導師，研究方向為混合動力汽車驅動理論與控制技術； 龔依民(1966—)，男，教授，研究方向為新能源汽車發動機電控； 劉春蘋(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為汽車電子與嵌入式系統。

龔依民

10.15938/j.emc.2017.04.001

TM 351

A

1007-449X(2017)04-0001-07