新能源汽車同步電機伺服系統中的死區分析及補償

楊家印

摘 ?要：隨著新能源汽車的發展，對其電機伺服系統的控制要求越來越高。該文對新能源汽車同步電機伺服系統進行了分析，從原理上找出了死區存在的原因，并進一步對消除死區的控制策略進行了研究。從理論上實現了對電機伺服系統中死區的補償，為同步電機的控制分析提供一定參考。

關鍵詞：新能源汽車;同步電機;伺服系統;死區補償

中圖分類號：TM303 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著經濟的發展和傳統燃油車排放問題愈發凸顯，新能源汽車市場需求越來越大，同時新能源汽車的技術發展也越來越快。在新能源汽車的硬件快速發展的同時，對其軟件控制系統也隨之提出了更高的要求。在新能源汽車的硬件系統中，電機是重要部件之一，目前應用比較普及的是永磁同步電機和無刷直流電動機2種。永磁同步電機在新能源汽車上的控制理論基礎是1971年A.A.Clark等人申請的專利“異步電機定子電壓的坐標變換控制”。后隨著研究的不斷發展和深入，國內外均對其進行了深入的研究。該文以新能源汽車同步電機伺服系統作為研究對象，對其死區進行一定分析和補償研究。

1 新能源汽車同步電機伺服系統控制策略簡述

1.1 硬件支撐系統

對新能源汽車同步電機伺服系統的軟件控制系統進行分析的前提是建立在其硬件支撐系統上的，為此先對新能源汽車同步電機伺服系統的硬件支撐系統進行簡述。

該文所分析的新能源汽車同步電機為永磁同步電機，其額定輸入電壓為330 V，轉速為2 500 r/min，額定功率為30 kW。同時借鑒行業經驗以及電機特性，硬件主控器選用的DSP型號為TMS320LF2812A，驅動信號輸出及保護電路選擇CPLD。其他一些硬件的選擇不單獨列出，其硬件系統設計如圖1所示。

在圖1中，其CAN通信接口、電壓電流AD、用戶數字控制按鈕等模具均與主控系統構成雙向傳遞，單片機處理溫度傳感器檢測的數據。

1.2 軟件系統

該文所分析的系統硬件電機采用的是嵌入式永磁同步電機，這種電機具有交軸和直軸電感差異比較大的特性。在實際應用上，也正是利用這一特性來擴展同步電機的速度范圍，以獲得更優異的速度控制效果。結合其電機這一特性，并從工程應用的角度和現有成熟的控制方案入手，采用弱磁控制和最大轉矩電流比（縮寫為：MTPA）相結合的辦法。前者是同步電機在恒功率區工作，當產生的反電動勢與逆變器電壓極值相等時，就會出現由于無法實現對電機進行電流控制而導致不能提高轉速的情況發生，這個時候就需要弱磁控制。對應的這個臨界速度值如式（1）所示。

由于最大轉矩電流比控制和弱磁控制均是采用矢量控制法，那么控制框圖和矢量控制是一樣的。但是由于兩者的電流特性不同，因此需要修正一些關鍵部分。

2 新能源汽車同步電機伺服系統中死區原理分析

為對新能源汽車同步電機伺服系統中的死區原理進行分析，下面給出其同步電機的驅動電路原理圖，如圖2所示。

由圖2可知，原理上同一相的上橋臂和下橋臂會存在同時導通發生短路的可能。那么為了避免這種情況，就需要在絕緣柵雙極型晶體管（簡稱：IGBT）中計入死區時間。實現這種加入死區時間的辦法有2種，第1種的控制思路是將準備關斷的功率管與理想波形同時關斷，而讓準備開通的功率管延遲一定時間（通常在程序中設定）后再開通。第2種控制思路是讓準備關閉的功率管此理想波形的提前一定時間關斷，同時讓準備開通的功率管延遲相同的時間后開通。將上述思路，采用波形圖表達，如圖3、圖4所示。

圖4中，準備關閉的功率管比理想波形提前關斷的時間為Td/2。在圖3和圖4中，（A）表示不含死區時間的A相理想電壓輸出波形Ua0;（B）表示功率管正電壓的實際控制波形Ua+;（C）表示功率管負電壓的實際控制波形Ua-，后綴0代表關斷，1代表開通;（D）是A相實際電壓輸出波形Ua;（E）是A相誤差電壓輸出波形Ua-Ua0。

那么，這個設定的功率管延遲時間就是死區時間。在這個時間內，上下功率管都不導通。這會帶來誤差電壓脈沖、波形畸變等問題。

3 新能源汽車同步電機伺服系統中死區補償策略

根據上面對新能源汽車同步電機伺服系統中死區的原理的分析，該文采用這樣的辦法對其進行補償：設功率管延遲時間也就是死區時間為Td，然后在該死區時間下計算獲得死區效應的電壓矢量（用Ud表示），并將其補償矢量項作為基本電壓矢量項應用于矢量控制中SVPWM的生成階段，這樣就可以實現死區補償。

在具體補償計算方法上，一般采用基本電壓矢量畸變補償法。在極坐標下對其進行扇區劃分，然后根據參考電壓所在扇區選取相鄰基本矢量電壓和零電壓進行合成。這樣就可以對由于基本電壓矢量畸變而帶來的幅值偏差按不同扇區進行補償。結合圖5，舉例分析其補償過程。

同理可以進一步計算得出不同扇區、不同電流極性下，死區效應電壓矢量Ud在理想電壓矢量Us相鄰兩相基本矢量投影的情況。這樣，就可以推導得出全空間內存在的36種Udc、Udy。下面以第一扇區Ⅰ舉例，用列表的方式導出其Udc、Udy表達式（見表1）。

在實際工程應用上，上述這種補償方法需要將扇區劃分為36個，這樣計算量大，而且較為煩瑣。因此，可以采用這樣的辦法對其進行簡化：將電壓Ud向靜止兩項坐標系α、β投影，得到死區電壓矢量，用Udα，Udβ表示。這樣，就可以使用靜止坐標系下理想參考電壓（用Uα，Uβ表示）來計算得到圖2中各個橋臂的開閉時間，然后利用補償法，計算其死區電壓Udα，Udβ對理想電壓Uα，Uβ的影響，以此來準確定量消除死區的影響。同樣，再以列表的方式獲得死區電壓矢量Udα，Udβ的表達式（見表2）。

4 結語

該文對新能源汽車同步電機伺服系統的控制策略進行了介紹，分析了控制策略中死區存在的原因，并結合工程實際提出了補償策略，為同步電機伺服系統的控制提供了一定分析和參考。

參考文獻

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