永磁同步電機(jī)逆變器死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)

 現(xiàn)今工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)中多采用驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)(pmsm)的交流伺服系統(tǒng)，其交流驅(qū)動(dòng)單元使用三相全橋電壓型逆變器。pwm調(diào)制的變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對交流電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制，大大提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。

然而，對于pwm逆變器，在驅(qū)動(dòng)功率管的開關(guān)信號中插入延時(shí)時(shí)間以防止直流母線直接短路，延時(shí)時(shí)間的引入將導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間效應(yīng)，引起逆變器輸出波形的畸變和基波電壓的降落，影響了伺服系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高[1]。

逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法綜述

為補(bǔ)償td引起的電壓波動(dòng)，研究人員提出了各種補(bǔ)償方法，大致可劃分為三類。

最普遍的方法是在電流極性相同的區(qū)間內(nèi)，根據(jù)缺少的脈沖列相應(yīng)加上極性相反的脈沖列，以抵消其影響。由于三相電流必有一相與另兩相極性相反，一種簡單的方法是對極性相反的相實(shí)行二倍的電壓過補(bǔ)償，使三相電壓死區(qū)影響相互抵消，線電壓波形為正弦形[1]。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)分析了死區(qū)產(chǎn)生的原因和影響，并根據(jù)模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制分別給出了死區(qū)的硬件電路補(bǔ)償方法。文獻(xiàn)[3]根據(jù)全橋電路的開關(guān)狀態(tài)，提出了一種帶死區(qū)補(bǔ)償?shù)哪孀兤鲾?shù)學(xué)模型，該模型的特點(diǎn)是由簡單的滯環(huán)結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)此模型可由一計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償。

第二類方法是根據(jù)無效器件原理實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償?shù)?。在任意時(shí)刻，逆變器每一橋臂兩個(gè)功率器件中只有一個(gè)是有效的。當(dāng)上橋臂器件關(guān)斷時(shí)，不論下橋臂器件是否導(dǎo)通，輸出電壓都是直流母線的負(fù)端電壓，此時(shí)稱下橋臂器件是“無效”的。死區(qū)補(bǔ)償?shù)霓k法是，維持有效器件的驅(qū)動(dòng)信號不變，改變無效器件的驅(qū)動(dòng)信號使之滿足設(shè)置死區(qū)的要求。既然“無效”器件的通、斷并不影響輸出電壓狀態(tài)，那么也就不需要驅(qū)動(dòng)信號了，只給有效器件發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號就可以了，這樣也就不需要加入死區(qū)，也就沒有什么死區(qū)補(bǔ)償?shù)膯栴}了。但該方法在電流過零點(diǎn)處會由于誤差導(dǎo)致畸變，因此使用這個(gè)方法時(shí)要注意電流過零區(qū)域的處理。一些學(xué)者進(jìn)一步提出了改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[4]在電流過零點(diǎn)加一滯環(huán)，在滯環(huán)時(shí)間內(nèi)使用正常的開關(guān)死區(qū)保護(hù)，可減小畸變。由于電流采樣中的干擾和電流變化的復(fù)雜性，文獻(xiàn)[5]在電流過零點(diǎn)附近的區(qū)域應(yīng)給出兩路驅(qū)動(dòng)信號并加入死區(qū)及死區(qū)補(bǔ)償。利用pwm關(guān)斷時(shí)刻實(shí)現(xiàn)換流時(shí)的開關(guān)死區(qū)保護(hù)，可消除開關(guān)死區(qū)的影響。

第三類方法是電流預(yù)測控制。建立較為準(zhǔn)確的電機(jī)系統(tǒng)模型，分析電流波形的畸變量，通過電流的預(yù)測控制來實(shí)現(xiàn)電流波形的校正。文獻(xiàn)[6]提出了預(yù)測電流控制的死區(qū)問題，通過估計(jì)反電勢補(bǔ)償電壓波形畸變和電流零點(diǎn)鉗位現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7]建立異步電機(jī)模型的矩陣方程，根據(jù)對svpwm算法里定子相電流的預(yù)測，補(bǔ)償其空間電壓矢量。文獻(xiàn)[8]利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的pmsm模型設(shè)計(jì)觀測器，觀測q軸損失的電壓，通過公式折算成需補(bǔ)償?shù)乃绤^(qū)時(shí)間tc，實(shí)現(xiàn)死區(qū)的在線補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]時(shí)間延遲控制來估計(jì)死區(qū)導(dǎo)致的干擾電壓，并將其反饋到電壓參考給定上以補(bǔ)償死區(qū)影響。電流預(yù)測方法計(jì)算繁瑣，且補(bǔ)償效果與電機(jī)模型的精度和時(shí)變的參數(shù)值直接相關(guān)，不易得到滿意的效果。

逆變器死區(qū)的影響

由pwm死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的基本原理可知[1]，引起的逆變器輸出電壓的偏差脈沖在繞組電流周期t1內(nèi)的電壓偏差可用一方波來等效，為了分析方便，假定電壓偏差脈沖在時(shí)間上是等間距的，則等效方波的高度為：

隨著電流極性的變化，誤差電壓脈沖的方向也隨著發(fā)生變化，而且隨著載波頻率的提高，誤差電壓脈沖出現(xiàn)的次數(shù)也隨之提高，雖然死區(qū)時(shí)間很短，只有幾個(gè)微秒，但是誤差電壓在一個(gè)周期之內(nèi)累積起來，也會對輸出電壓的基波幅值產(chǎn)生較大的影響。誤差電壓與理想電壓、實(shí)際輸出電壓的定性關(guān)系如圖2所示。

對圖2中的偏差方波進(jìn)行傅立葉分析得到：

其中，ω1電流基波角頻率;ψ期望電壓與電機(jī)電流之間的相位差。

因此，在忽略功率開關(guān)引起的高頻噪聲的情況下，逆變器的輸出電壓為：

其中，ma調(diào)制度，為調(diào)制正弦波幅值與三角波載波幅值的比值。

由上式可知，由于逆變器死區(qū)時(shí)間的存在，不但使逆變器輸出電壓的基波發(fā)生變化，而且使輸出電壓中含有3次、5次、7次等高次諧波。

開關(guān)死區(qū)造成逆變器輸出電壓波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致輸出電流波形波形畸變，即電流的交越失真。

·死區(qū)時(shí)間越長，逆變器輸出基波電壓損失越大，電壓波形畸變程度越大;負(fù)載基波電流幅值下降越多，電流波形畸變也越嚴(yán)重。

·對于確定的死區(qū)時(shí)間，負(fù)載功率因數(shù)變小時(shí)，會使逆變器輸出基波電壓幅值增加，電壓波形畸變率變小，基波電流幅值減小，電流波形畸變率變大。

·當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，空間電壓矢量幅值很小，三路橋臂相對導(dǎo)通時(shí)間變短，死區(qū)時(shí)間的影響變大。

·死區(qū)不僅影響輸出電壓幅值，還影響其相位;死區(qū)使pwm波形不再對稱于中心，因此，空間電壓矢量的幅值產(chǎn)生偏差，相位也發(fā)生變化。

基于位置的動(dòng)態(tài)死區(qū)補(bǔ)償方法

各種死區(qū)補(bǔ)償方法的一個(gè)共同特點(diǎn)是根據(jù)電流波形補(bǔ)償電壓信號。因此需要檢測實(shí)際電流值，判斷各相電流正負(fù)，以其過零點(diǎn)作為補(bǔ)償電壓信號的切換時(shí)刻。電流檢測環(huán)節(jié)由電流傳感器、低通濾波器和a/d轉(zhuǎn)換組成，為減小噪聲程序中還需加數(shù)字濾波。檢測到的電流存在器件精度和干擾造成的誤差，且有相位延遲。因此利用實(shí)際檢測到的電流信號很難精確補(bǔ)償死區(qū)影響，甚至?xí)捎谶^零點(diǎn)附近的錯(cuò)誤補(bǔ)償造成更大的電流畸變。

現(xiàn)今pmsm的轉(zhuǎn)矩控制多是通過矢量控制實(shí)現(xiàn)的，為準(zhǔn)確控制電機(jī)電流，其電流環(huán)響應(yīng)頻率很高，可達(dá)到1khz以上，實(shí)際電流能夠精確跟蹤電流指令信號。在高精度的交流伺服系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制需要高分辨率的位置傳感器，一般達(dá)到16或17位，而高速高精度a/d器件相對成本較高，其分辨率一般為10或12位。由于電流矢量和轉(zhuǎn)子位置相關(guān)，如果用位置信號判斷電流正負(fù)，施加電壓死區(qū)補(bǔ)償信號，補(bǔ)償?shù)木瓤梢员葘?shí)際使用的電流信號精度高，且不受干擾信號的影響。

由pmsm矢量圖可見，磁場定向控制的電流矢量與轉(zhuǎn)子磁極成90°(電角度)，并與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子磁極的位置可通過高分辨率的編碼器確定，經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場定向控制，電流按時(shí)間變化的電角度和磁極空間變化的空間旋轉(zhuǎn)角度重合，進(jìn)而可得到電流矢量的空間位置。根據(jù)電流矢量的空間位置，可以判斷出各相電流的過零點(diǎn)。

磁極的位置角度與電流的相位關(guān)系固定，經(jīng)過分析，我們按如下的位置變化規(guī)律進(jìn)行電壓補(bǔ)償：

·當(dāng)角度0《θ《π時(shí)，ia》0，a相補(bǔ)償正向電壓;反之補(bǔ)償反向電壓。

·當(dāng)角度2π/3《θ《5π/3時(shí)， ib》0，b相補(bǔ)償正向電壓;反之補(bǔ)償反向電壓。

·當(dāng)角度-2π/3《θ《π/3時(shí)， ic》0，c相補(bǔ)償正向電壓;反之補(bǔ)償反向電壓。

補(bǔ)償電壓的幅值計(jì)算公式為：

其中factor為調(diào)整系數(shù)，一般取為0.7。

圖4和圖5為沒有加死區(qū)補(bǔ)償和加死區(qū)補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果比較。由電流波形可以看出，無死區(qū)補(bǔ)償?shù)碾娏髟谶^零點(diǎn)處產(chǎn)生畸變，

有平的臺階。而加入以上提出的死區(qū)補(bǔ)償方法后，圖5所示實(shí)際電流跟蹤給定電流，得到了效果很好的正弦波形。

逆變器的開關(guān)死區(qū)效應(yīng)對交流伺服系統(tǒng)的性能具有較大的影響，因此對開關(guān)死區(qū)進(jìn)行校正補(bǔ)償是必要的。本文在分析了各種死區(qū)補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于位置檢測信號的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。該方法利用高分辨率的編碼器來提高電流方向的判斷精度，實(shí)驗(yàn)證明具有較好的補(bǔ)償效果。