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永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 摘要 永磁同步电机在工业应用中发挥重要作用，是工业自动化不可缺少的 组成部分。研究高性能永磁同步电机伺服系统符合工业现代化发展趋势， 对我国电气自动化水平进一步提高具有重要意义。为保护逆变器直流侧电 源，在其开关器件的驱动信号中需加入死区时间，死区效应的存在对永磁 同步电机伺服系统的实际运行产生许多负面影响。因此，死区效应补偿随 之成为永磁同步电机伺服系统研究的热点和难点问题之一。 本文重点分析死区效应对输出相电压和相电流的影响，死区效应使得 逆变器输出相电压和相电流不能精确跟踪参考电压和电流、相位发生变化、 谐波分量增加、系统输出转矩脉动增大。本文针对电流过零区域极性判断 不准从而导致误补偿的问题，提出在电流过零点设置夹断区间，在夹断区 间内采用线性时间补偿占空比，在夹断区间外采用固定值补偿占空比。通 过m a t i ，a b 仿真证明该算法能有效减小相电流畸变和零点嵌位时间。 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为主控芯片、7 5 0 w 永磁同步电机为控制对象的试 验平台上实现电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 算法、片上a d c 校正、乩址l 电流传感器标定、两相电流同步采样。并验证死区补偿算法。结果表明， 采用该算法有效减小相电流的畸变和谐波分量。 i i 广西大掌硕士学位论文 永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 关键词：永磁同步电机空间矢量控制死区效应死区时间补偿零电流 嵌位 i i i 广西大掌硕士学位论文 永砑t 同步电机空间矢量控制死区补偿研究 d e a d t i m ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g yf o rs p a c e v e c t o rp w mc o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t p e n i l a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) p l a ya 1 1 i n l p o r t a n tr o l ei n i n d u s t r i a l 印p l i c a t i o n sa i l di s a ni n t e g r a l p a r to ft l l e i n d u s t r i a la u t o m a t i o n r e s e a r c hh i g h - p e r f o r m a n c ep m s ms e r v os y s t e mm e e tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f i n d u s t r i a lm o d e m i z a t i o n ，t h i sw i l l如r t h e r i m p r o v eo u rl e v e l o fe l e c t r i c a l a u t o m a t i o n i no r d e rt op r o t e c tt h ep o w e ri nd cs i d e ，d e a d t i m ei so r e na d d e d i n t om ed r i v es i g n a l so ft h es w i t c h e s ， t h i sw o u l d b r i n gm a n yn e g a t i v ee a b c t si l l t h ep m s md r i v e s s y s t e md u r i n g i t s p r a c t i c a l r u n n i n g t h e r e f - o r e ， t i l e c o m p e n s a t i o no ft h ed e a d t i m eb e c o m e so n eo ft 1 1 em o s tp o p u l a ra n dd i m c u l t p r o b l e m si nt 1 1 ep m s m d r i v es y s t e m t h i sp 印e rf o c u s e so nm ed e a d t i m ee f f e c to nt 1 1 eo u t p u tp h a s ev o l t a g ea n d p h a s ec u r r e n t ，t 1 1 ee x i s t e n c eo fd e a d - t i m em a k e st i l eo u t p u tp h a s ev o l t a g ea n d p h a s ec u l l r e mo fi n v e r t e rb ed i f f e r e n tf 而mi t sr e f e r e n c ev o l t a g ea n dc u r r e n t ， p h a s ec h a n g e d ，t h eh a n n o n i cc o m p o n e n t si n c r e a s e d ，m a k e st l l eo u t p u tt o r q u eo f s e r v om o t o rr i p p l el a 唱e l y e s p e c i a l l yi n 1 ec o n d i t i o no fl o ws p e e d ，d e a d t i m e m a y c a u s es e os y s t e mu n s t a b l e i i lt l l i sp a p e r ，c o m b i n et h ef i x e dc o m p e n s a t i o n i v 广西大学硕士学位论文永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 w i t hc o r r e c t e dc o m p e n s a t i o n ，a n dt a k i l l gl i n e a rc o m p e n s a t i o nm e t h o da t 廿l e i n t e r v a lo fz e r o c r e n tc l 锄p i n gr e g i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t i l e c u n e n td i s t o r t i o n ，a n dt h et i m eo fz e r oc u r r e n ta r er e d u c e de f r e c t i v e l y s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a l g o r i t h m ，o n c h i pa d c c o r r e c t i o n ，h a l lc l _ u t e ms e n s o rc a l i b r a t i o n ，押o - p h a s ec u r r e n ts y n c h l o n o u s s a m p l i n ga i ea c h i e v e db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12d s ph o s tp l a t f o n n ，a n d7 5 0 w p ms y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e m d e a d t i m ec o m p e n s a t i o na l g o r i t l l i ni sv e r i 丘e d i nm et e s tp l a t f o r m t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h i sa l g o r i t h mi se f f e c t i v eo nr e d u c i i l g t h ec u n e n td i s t o r t i o na n dh a n n o n i c s k e y w o r d s ：p m s m ；s v p 、m ；d e a d t i i i l ee 肋r t ；d e a d - t i m ec o m p e n s a t i o n ； z e r o - c u l l e n tc l a n l p v 广西大掌硕士学位论文永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 1 1 课题背景 第一章绪论 随着电力电子技术、传感器技术、电机制造技术及先进的控制理论等支撑技术的飞 速发展，使得交流伺服系统在机电一体化、工业自动化、数控机床等方面得到广泛应用。 并且已经逐步取代直流伺服系统，永磁同步电机( p e 衄锄e n tm a g i l e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， p m s m ) 作为交流伺服电机的一种，运行可靠且效率、功率因数高。永磁同步电机本身结 构简单，体积小，质量轻，没有机械换向，维护量小，具备宽调速范围、高稳速精度、 快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。随着永磁稀土材料价格不断降低，且我 国又是世界上稀土永磁材料含量最丰富的国家，永磁同步电机在我国有着很广阔的应用 前景，所以研究高性能永磁同步电机伺服系统具有重要意义【1 5 l 。 随着永磁同步电机伺服系统的应用范围越来越广泛，对伺服控制器高性能的要求也 越来越高。永磁同步电机伺服控制较常用的方法主要有矢量控制和直接转矩控制。 p m s m 驱动系统分析中使用的数学模型一般是简化的线性模型，而且忽略许多非线性因 素，如死区效应引起的非线性、电流检测误差、a d c 量化误差和时间滞后等。这些非理 想因素会引起电机输出转矩波动，使准确矢量转矩控制无法实现，影响系统控制效果。 其中死区效应对系统的影响较大，死区效应的存在使实际输出电压和给定电压之间 存在着偏差，引起负载相电流畸变和转矩脉动，这种影响在电机低速运行时更加突出。 所以对永磁同步电机死区效应进行补偿有着重要意义。 1 1 1 永磁同步电机伺服系统发展概况 国外交流伺服系统研究始于7 0 年代，8 0 年代进入实用阶段，到9 0 年代趋于成熟，其 中以美国a b b 、g e 时s 公司、德国西门子公司、日本三菱、松下电器、东芝、安川电机、 f a n u c 公司为代表。 与国外相比，我国交流伺服控制技术研究起步较晚，8 0 年代末开始研究，9 0 年代成 为研究热点，我国对交流伺服控制技术的研究在控制理论上与发达国家差距很小，但实 际应用存在较大差距，尽管不少公司研制出自己的交流伺服驱动装置，如华中数控、广 州数控、南京埃斯顿等，在调速范围、控制精度等主要技术指标同国外相比存在较大差 距。 永磁同步电机伺服系统控制技术的发展大致经历以下三个阶段：v f 控制，矢量控制， 直接转矩控制： 1 v f 控制 v f 控制实际上是一种开环控制【6 7 j ，主要对输入永磁同步电机的电压和频率进行控 广西大掌硕士掌位论文 永磁同步电机空间刍卅控制死区补偿研究 制。控制系统将参考电压和频率输入到逆变器器中，由逆变器产生一个正弦电压施加在 永磁同步电机定子绕组上，使永磁同步电机运行在指定的电压和参考频率下。按照这种 控制策略进行控制，供电电压基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持电机 定子磁通近似恒定。v f 控制方法简单，易于实现，可通过改变电源频率进行转速控制， 不存在异步电机的转差和转差补偿问题。但由于系统中无速度、位置等反馈信息，无法 实时获取永磁同步电机电机状态信息，无法精确控制电磁转矩；在突加负载或者速度指 令时，容易发生失步现象。因此，使用v f 控制方法的驱动系统一般应用在对动态响应特 性和精确性不高的场合，比如风机、泵类等负载的控制。 2 矢量控制 矢量控制也称转子磁场定向控制( f o c ) 【3 ，7 1 ，其基本思想是：把三相交流电机通过 坐标变换等效成直流电动机，然后仿照直流电机进行控制。其核心就是将定子电流分解 成相互垂直的励磁分量和转矩分量。矢量控制最终结果是实现定子电流的分解，对转子 磁链和电磁转矩进行解藕控制。 目前，矢量控制技术已成为永磁电机伺服系统中的主要控制方法。电压空间矢量控 制在每个电流采样周期内完成一次控制算法，改变电压矢量输出状态，逆变器开关频率 恒定且可以做得较高，利于调制出圆形定子磁链轨迹，电流波形正弦，转矩脉动小。 电压空间矢量控制技术也并非完美无暇，实践中发现其控制特性受电机参数影响较 大，而且在模拟直流电动机控制过程中矢量坐标变换复杂、定子磁体位置偏移，磁性材 料分布不均匀，电流传感器非线性和电流调节器的局限等因素，使得实际控制效果难以 达到理论结果。 3 直接转矩控制 1 9 8 5 年德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授提出直接转矩控制。直接转矩控制不同于采 用解耦控制思想的矢量控制方法，是一种瞬时转差控制方法【6 ，7 1 。直接转矩控制直接在定 子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电机的磁链从而控制转矩。直接转矩控制 方法不需要将交流电动机和直流电动机进行比较、等效和转化，也不需要为解耦而简化 交流电动机的数学模型，也不需要矢量旋转变换等复杂变换与计算。因此，它所需要的 信号处理工作比较简单。直接转矩控制具有不同于矢量控制的全新优点：快速动态响应， 控制结构简单。 虽然直接转矩控制控制思想简单，看起来容易实现。但存在实现上的瓶颈。主要问 题集中在转矩、定子磁链等系统状态的准确估计上。通常定子磁链估计器采用对反电动 势进行积分方法。由于电压与电流检测不精确以及电枢参数随电机运行情况变化，估计 结果往往存在误差。估计的误差将直接影响转矩控制效果。 1 1 2p w m 控制技术 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器 中的应用越来越广泛，p w m ( p u l s e 谢d mm o d u l a t i o n ) 控制技术引起人们的广泛关注。 2 广西大掌司e 士掌位论文永嗣t 同步电机空间矢量控制死区补偿研究 p w m 控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得 所需要波形( 含形状和幅值) 。由于正三角波或锯齿波上下宽度是线性变化的波形，因 此与调制波匹配时，就可以得到一组幅值相等、宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序 列来等效调制波例。 逆变器主要由三相整流桥和逆变器两部分组成。整流桥将输入的三相交流电整流成 直流电压，作为直流输入电压供给逆变器，逆变器的作用是在p w m 信号的驱动下，将 输入的直流电转变成电压与频率可调的交流电，输入到电机电枢绕组中。 脉宽调制型逆变器不仅结构简单，而且输入功率因数保持不变，输出谐波大大减小。 采用较高逆变器开关频率时，逆变器输出波形已非常逼近正弦，因而成为当前应用最广 的一种逆变器形式。 目前基于p w m 技术采用控制方法主要有：正弦s p w m 控制、电流滞环跟踪p w m 控 制、电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制【3 ，9 - l o l 。 s p w m ( s i n u s o i d a lp l l l w i d mm o d u j a t i o n ) 控制：以对称三角波为载波，可调频调 幅的正弦信号作为调制波，通过调制波与载波匹配来控制电压型逆变器一对桥臂上、下 两个开关管导通与关断。其调制波通过实时控制算法获得。获得一系列宽度按正弦变化 的正负矩形脉冲电压波形。s p w m 容易实现对电压控制，s p w m 控制线性度好，但电压 利用率低，s p w m 输出相电压基波幅值最大只可达到比2 ，且着眼于使伺服系统的输 出电压尽量接近正弦波。 电流滞环跟踪p w m ：直接控制输出电流，使输出电流在正弦波附近变化。将设定电 流与反馈得到的实际输出电流相比较，通过控制逆变器上下桥臂功率开关器件通断，使 逆变器输出电流与参考电流的偏差值控制在一定误差范围内，保证当设定电流是正弦波 时，输出电流也接近正弦波。这种控制模型简单、控制精度高、响应快，但开关频率不 固定，实现时受到功率开关器件最高开关频率及控制系统响应时间的限制。 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制：s v p w m 变频器已成为交流伺服系统中普遍采用 的变流装置。交流电经过整流器后输出直流电压，然后再经过逆变器输出一系列宽度不 等的矩形脉冲，用来控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制波周期控制输 出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压幅值与频率的控制。s v p w m 正弦调制时， 输出的相电压基波幅值最大可以达到圪3 ，其电压利用率比s p w m 调制时提高1 5 。 1 1 3 死区补偿国内外研究进展 p w m 控制技术的发展促进交流伺服系统控制技术性能的不断提高。随着各种高性 能p w m 技术不断涌现，p w m 技术在交流调速伺服系统中扮演重要角色。 逆变器是功率变换单元，其作用是通过控制功率开关器件的开通和关断，把直流电 变换成交流电。而开关器件都具有一定的、不可控的固有开通和关断时间。在三相桥式 逆变器系统中，同一相上、下桥臂的两个开关器件工作在互补状态。如果将互补的控制 信号加到同一相上、下桥臂的两个开关器件的控制极上，那么这两个开关器件将会发生 3 永砑u 葡步电机空间矢量控制死区补偿研究 “直通 现象。因此，为保证逆变电路安全工作，必须在逆变器同一相上、下桥臂两个 开关器件的通断信号间设置一段死区时间，这段时间就称为死区。死区效应的存在使得 逆变器输出相电压、相电流畸变，转矩脉动增加，所以对死区效应进行补偿具有重要意 义。 ( 1 ) 死区效应补偿研究进展： 在s v p l j l m 逆变器中，为防止同一桥臂的一对开关管产生直通，需要在开关管开通与 关断时刻之间加入一段死区时间。所产生的死区效应会造成逆变器输出电压、电流波形 畸变；输出电压、输出电流基波分量减小；相位发生变化；产生转矩脉动等。特别是在 低速、低电压输出情况下，会使转矩脉动增大，甚至导致调速系统不稳定，因此为保证 变频调速系统良好稳定运行，需要对死区进行补偿【l 1 0 7 1 。 死区效应补偿研究主要集中在补偿方法、电流极性判断、零电流嵌位三个方面： 对逆变器死区效应补偿这一问题，国内外学者进行大量的研究和探讨，主要集中在 电压补偿法和时间补偿法。电压补偿法原理：用一个和误差电压大小相同、极性相反的 补偿电压来抵消或削弱误差电压的影响；时间补偿法原理：根据电流极性来补偿驱动信 号的脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想给定时间一致，保证逆变器输出电压与时 间伏秒面积与理想伏秒面积相等。这些方法都需要负载电流方向信息。然而，由于零电 流嵌位现象存在，加上电流检测装置本身的零点飘移等干扰因素，电流在零点附近的方 向难以准确判断，错误的判断会导致误补偿。 电压补偿法： j o n g - w r o o 等1 1 1 】引入死区补偿电压来补偿死区效应。m 等【1 3 】结合功率因数角判断电 流极性，在d q 轴上进行电压补偿。u r a s a l ( i 等【1 4 ，”】在d q 轴进行电压补偿，进行电流极性校 正，有效提高死区误补偿率。h y u l l s o o 等1 1 8 】预测电流极性，实时计算d q 轴误差电压进行 补偿。刘栋良等【1 9 1 在d q 轴上补偿误差电压。u r a s a b 等【2 0 】采用干扰观测器的方法对逆变 器死区效应进行在线死区补偿，该方法把逆变器死区和开关器件的非理想特性所造成转 子交直轴电压作为干扰电压进行在线估计，然后反馈到逆变器参考电压进行电压前馈补 偿，该方法由于干扰观测器的设置，补偿电压存在相位滞后，同时干扰观测器的增益选 择需要一定经验。吴茂刚等【2 l j 采用预测电流方法在筇静止坐标系上补偿与误差电压矢 量大小相等、方向相反的误差电压矢量来抵消死区误差。王高林【2 2 2 3 】结合零电流嵌位在 筇轴上进行误差电压矢量补偿c 绯r 等1 2 4 】通过测量实际电压与理想电压比较得出误差 电压，来补偿由逆变器引起的电压误差。但是电压准确检测存在困难。 时间补偿法： 胡庆波等1 2 副根据参考电压与补偿后电压伏秒面积相等的原理，近似计算出每个伺服 周期相应的误差时间，实时改变占空比进行补偿。王东文【2 6 】将逆变器三相脉宽调制输出 的脉宽期望值组合作为交流伺服系统逆变器的电压空间矢量输出期望值；将脉宽调制输 出的设定死区时间作为死区补偿时间的期望值；根据电流极性来补偿死区：电流为正， 4 永嗣钉葡步电机空间吾卅控制死区补偿研究 加一个死区时间，电流为负，减一个死区时间。c 锄n e l i 【2 7 1 对合成输出电压矢量的相邻 两矢量时间进行误差补偿。王庆义【2 8 】提出由计算电压矢量位置结合功率因素角来确定电 流矢量位置，通过电流极性来补偿死区。该方法在零电流以外采用固定补偿和修正补偿 相结合，在零电流夹断区间采用线性补偿方法，使得实际电压和电流畸变减小。但是电压 矢量位置判断困难及通过电流检测计算得到的功率因素角本身存在误差。k a n 一冽在理想 毛= 0 控制模式下划分电流矢量区间，判断电流极性进行死区误差补偿。 电压补偿法和时间补偿区别： 电压补偿法电压补偿法的补偿原理是用一个和误差电压大小相同、极性相反的补偿 电压来抵消或削弱误差电压的影响。 时间补偿法是从驱动信号着手，根据电流极性与误差电压的关系，通过调整功率开 关管的驱动脉冲信号宽度进行死区补偿的方法。根据电流极性和补偿时间调整每一相驱 动信号脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想给定时间长度相一致，保证逆变器输出 电压值与给定值相等的补偿方法。 无论采用何种方式进行死区效应补偿，最后的控制目标都是三对开关管的通电时间 及通电时刻。时间补偿法补偿功率开关管的通电时间，电压补偿法补偿决定开关管导通 时间的电压矢量大小。 除以上方法外，还有使用硬件和软件结合解决死区补偿： m o t o r o l a 的d s p 5 6 f 8 0 x 系列电机控制芯片在其内部集成专门的硬件电路( m r l6 ) 进 行死区补偿，设计者只需要很简单的软件编程就可以完成死区电压补偿，减少电压误差。 刘陵顺f 1 7 】从硬件上设计陷波滤波器来检测电流瞬时值过o 点。刘军锋【3 0 】设计硬件实时检 测功率管导通时间的死区补偿和电压检测方法，通过硬件检测出实时的死区时间，再由 软件进行补偿。 ( 2 ) 电流极性判断研究进展 无论采用哪种方式进行死区补偿，都需要电流方向信息。电流为正时，一个伺服周 期内实际输出脉冲宽度相与理想输出脉冲宽度相比损失一段电压( 时间) ：电流为负时， 实际输出脉冲宽度相与理想输出脉冲宽度相比增加一段电压( 时间) 。由于电流检测装置 本身的零点飘移等干扰因素，加上零电流嵌位现象的存在，使得电流准确判断存在困难。 错误的判断结果会导致误补偿。所以电流极性准确判断在死区补偿中尤为重要。 h y u l l s 0 0 【1 引、吴茂刚【2 l 】、觚a i 锄e s e 【3 1 1 采用预测电流方法近似判断电流极性。m 【1 3 】 结合功率因素角确定电流矢量位置，需要用到由轴电流反馈信息。廖海平【4 8 】通过电压空 间矢量的位置间接推导参考电流空间矢量位置角，从而确定三相电流极性，进行补偿。 虽然通过间接判断电流极性能达到相对比较好的效果，但是由于零电流嵌位现象存 在，使得输出电流产生畸变增加，电流驻留于零点时间增长，使得电流在过零点时很难 准确判断。 1 ) 直接过零检测 5 广西大掌硕士掌位论文永嗣u 葡步电机空间告卅控制死区补偿研究 通过传感器直接检测定子电流，因为p w m 高频噪声、电流滤波环节存在相移，尤 其低频时存在电流过零嵌位现象，导致过零检测的准确性受到限制。还有电流检测精度 也是补偿效果的一个重要影响因素。电流的过零点是补偿方波电压反转极性的位置，如 果电流过零点的检测存在偏差，则不仅不能正确补偿死区时间的影响，相反会加倍输出 电压的偏差。 2 ) 通过正g 坐标系判断输出电流方向 将检测的三相定子电流转化到同步旋转坐标系( 正g 坐标系) 中进行处理，这是因 为系统稳态时，三相电流的基波分量在同步旋转坐标系中为直流量，对其滤波不会引起 幅值的变化，并且不存在相位滞后的问题，用三相电流信号共同确定电流矢量，即使其 中一相电流存在误差，也可通过其它两相得到抑制。将三相定子电流转换成空间电流矢 量，然后用电流矢量角度来确定三相电流极性。 这种方法相对直接测量三相电流的大小而言，可避免p w m 噪声和零电流嵌位现象。 还能够准确判断出电流过零点位置，同时也可避免由于滤波环节所造成的检测信号滞 后，这种方法被很多人所采用。但是通过小g 坐标系判断输出电流方向这种方法需要进 行烦琐的矩阵计算，还要给交流伺服系统控制板额外配置电流检测硬件电路，不仅增加 控制板硬件成本，而且还增大控制板设计尺寸。 3 ) 通过功率因数角判断电流方向 可以通过传感器测量交流伺服系统的输入侧电流和电压。然后通过计算有功功率和 无功功率，最后通过一个反正切函数求出功率因数角p 。有功功率和无功功率的计算过 程只需要通过一个电能计量芯片就能完成，而且具有很高的准确度。 ( 3 ) 零电流嵌位研究进展 尽管很多补偿方法能够取得不错的补偿效果，但在低速的场合，经常会发生零电流 嵌位现象，使输出电流产生畸变【3 2 】。针对零电流嵌位问题，u r a s 撕【3 3 】提出设定d 轴电压 阀值，实时采样过程中，d 轴电压超过阀值时极性错误现象发生，对电流和补偿电压进 行极性校正，然后进行死区补偿。o l i v e i d 3 4 】在过零区间设置一个电流阀值，在阀值区 间内采用线性电压补偿，能够有效的减小过零时产生电压误差。王庆义【2 8 j 在理想电流过 零点对应的空间角度设置角度阀值，阀值区间内进行线性时间补偿。 1 1 4 课题来源 1 、广西制造系统与先进制造技术重点实验室资助项目( 桂科能0 7 1 0 9 0 0 80 2 0k ) ； 2 、南宁市科技攻关项目( 2 0 0 8 0 2 0 2 6 a ) ； 3 、广西科技攻关项目( 桂科攻1 0 1 0 0 0 0 1 2 ) 。 1 2 论文研究意义及主要内容 现代电力电子装置正在向高频化发展，由于开关频率的不断提高，死区时间对伺服 驱动器输出相电压和输出相电流的影响也愈来愈严重。死区时间的存在会导致逆变器输 6 广西大掌硕士掌位论文 永u 嗣步电机空间刍卅控制死区补偿研究 出电压、电流发生畸变，使得实际输出电压、电流与逆变器参考输出电压、电流相比存 在偏差；零电流的钳位现象；高次谐波增加；转矩脉动增加。尤其在低速以及调制频率 很高时，甚至可能导致系统不稳定。因此，寻求简便、实用和有效的死区补偿方案对于 提高系统性能具有十分重要的意义。 本文主要做了如下工作： 1 ) 建立永磁同步电机模型，对p m s m 矢量控制方法进行阐述；对死区效应来源、 影响进行深入分析；对零电流嵌位现象来源进行阐述。 2 ) 深入分析死区效应现象及现有的死区补偿策略，本文提出在电流过零点设置夹 断区间，在夹断区间内采用线性时间补偿，在夹断区间外采用固定时间补偿。在m a t l a b 仿真环境里建立死区逻辑，并根据算法对补偿死区进行仿真及分析。 3 ) 在实验室自制伺服系统平台上验证死区补偿算法。实验表明，在夹断区间采用 线性时间补偿能够有效减小电流畸变。 4 ) 对电流传感器进行标定，对片上a d c 进行校正，实现电机两相电流实时同步采 样，能够有效提高电流环节的相电流检测精度，从而提高伺服系统控制精度。 7 第二章永磁同步电机死区效应分析 山。随耋篓苎三：计算机、电力电子、电动机制造技术以及新型材料等科学技术的飞速 娄晕竺犁 随着控制理论研究的不断深入，交流伺服系统已经在机电一体化、。三蓝磊 器人、柔性制造系统等许多高科技领域中得到成熟的应用。 。詈! 警掣垫术的应用对现代交流伺服系统的发展起到巨大的推动作用。p w m 驱动 曼竺苎! 竺构简单、输出波形好，并能抑制或消除谐波影响等特点，使其在中低频磊磊 鍪譬：至应用。但是，逆变器具有开关管死区效应特性，从而使得输出电压翥三嘉主； 很大影响。因此，分析死区效应对伺服系统的影响以改进调速性能变得越来越主i “。 。一驾棼岂皇机的控制规律，分析永磁同步电机最常用的方法就是建立正g 轴数学模型。 宝! 竺分孝斤变磁同步电机稳态运动性能，也可以分析电机瞬态性能。永磁晶步电巍莉 舅定量 三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电磁转矩来驱动电莸菇享菇 动，当定子电流频率固定时，转子转速也是固定的，并且与该频率成正比。 。 b s ；二、 激烁q 7 浏7 吣 a s b s c 8 分别为 a ，b ，c 相绕组轴线 i s 定子电流空问矢量 图2 一l 永磁同步电初模型 f i 醇- 1p e 册柚朋tm a 印e ls y n c l 矾) n o 邺m o t o rm o d e l 。一一量变竺! 步电动机转子同步旋转的由坐标系，拗与转子磁极重合。p m s m 在d q 坐 标系下定子电压方程为： 一1 8 广西大掌硕士掌位论文永剐葡步电机空间矢量控制死区补 袭研究 驴+ 雾怕 ， 蚴= r 毛+ 警叫 式中：r 为定子电阻，蚴、为定子电压由轴分量，屯、毛为定子电流由轴分量， 黧二l ， ( 2 - 2 ) = 厶屯+ ， p 叫 式中：厶、厶为砌轴电感，纷为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链。 乙= p ( 一岛) ( 2 3 ) 乙= p 盼屯一( 厶一厶) 屯 ( 2 - 4 ) 乙= 冕砌“警 ( 2 - 5 ) 机械角速度与电角速度的关系为：q ：竺，于是有： 乙= 互+ 讣， ( 2 - 6 ) 2 1 2p m s m 矢量控制原理 矢量控制思想是由德国学者在1 9 7 2 年提出的。最早主要应用在感应电机中，而在永 磁同步电机中同样也可以应用矢量控制的方法，而且因为永磁同步电机特殊转子结构使 得矢量控制理论在永磁同步电机中更为容易实现。 与直流电机不同，永磁同步电机励磁磁场与电枢磁势之间的角度不是固定的，它随 负载变化而变化。若能够通过电机外的控制系统使得电枢磁势相对励磁磁场进行空间定 向控制，就可以直接控制两者的空间角度，将此称为磁场的“角度控制 。当永磁同步 9 广西大掌硕士学位论文永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 电机定子绕组电流的直轴分量在控制过程中始终等于o ，即屯= o 时，相当于等效直轴绕 组开路不起作用。因此，如果不考虑定子直轴电流分量，仅仅从交轴电压方程可以看出， 永磁同步电机相当于一台他励直流电机，定子电枢绕组中只有交轴分量，励磁磁链等 与转子永磁极产生的磁链恒定不变，等效交轴绕组中的励磁电势与转子角速度成正比。 因为定子磁动势空间矢量与转子永磁体磁场空间矢量相互垂直，所以电磁转矩与交轴电 枢电流成正比。由于既要对定子电流空间向量的相位进行控制，又要对其幅值进行控制， 所以称之为“矢量控制 。 p m s m 矢量控制是基于磁场定向控制的一种，按照控制目标分为【4 5 】： 1 ) 屯= o 控制：屯= o 控制方法较简单，用这种方法，电磁力矩和交轴电流成线性 关系，无去磁效应。缺点是随输出转矩增加，端电压增加较快，功率因数下降，对逆变 器容量要求提高。为保证电流环动态跟随，随着电机转速升高，外加电压越高。对有凸 极效应的永磁同步电机而言，该方法不能充分利用磁阻转矩，不能充分发挥电机转矩输 出能力。 2 ) c o s ( 咖= 1 控制：功率因数= 1 时，逆变器功率容量得到充分利用，但该法在同等 电流下输出力矩较小，电磁力矩存在一极大值，该极值较小，对应某一电磁力矩有两个 定子电流值与之对应。 3 ) 转矩电流比最大控制：电机在输出力矩满足要求情况下定子电流最小，用这种 方法可以减小铜耗，提高效率，有利于逆变器开关器件的工作。在该方法基础上，如加 弱磁控制，可以改善电机恒功率运行区电机输出转矩性能，因而是一种比较优异的电流 控制方法。但是，转矩电流比最大控制方法运算复杂，运算量比较大，需要高性能的d s p 处理器方可胜任。 4 ) 恒磁链控制：恒磁链控制方法可以获得较高的功率因数，在一定程度上提高电 机的最大输出转矩，也存在最大输出力矩限制问题，但比起功率因数等于l 的控制方式， 其最大输出转矩要大一倍。 采用乙= 0 电压空间矢量控制方式，所采用坐标系为由旋转坐标系。系统控制环路 如图2 2 所示。 1 0 广西大学硕士掌位论文永嗣u 司步电机空间矢量控制死区补偿研究 图2 2 矢量控制模块图 f i g 2 - 2v e 咖rc o n t r o lb l o c kd i 雒；m m 整个矢量控制算法过程为：通过h a l l 电流传感器检测相电流信息，三相静止坐标 系电流矢量经过c l a r k 变换得到两相静止坐标系电流矢量厶、厶；然后经过眦坐标 变换得到与转子同步旋转坐标系电流矢量l 、l 。由于采用= o 控制方式，通过p i d 调 节d 轴，使得屯电流值接近0 ，所以控制时，只需控制l 一个参数即可。电流p i d 调节经 粼逆变换得到静止坐标系以、u 疗，然后产生p w m 控制算法计算得到每相p w m 信号 切换点值( 占空比值) 。从位置传感器准确检测电机转子位置，计算得到转子位置、速 度以及电角度，进而形成速度闭环。 2 1 3s v p w m 数字化实现 在电机矢量控制中，通常采用电压型逆变器，如图2 3 所示，其中每一个桥臂有上、 下一对开关器件。3 对开关器件开关规律必须遵循以下规律： ( 1 ) 任何时刻，处于开关状态开关器件数目都必须是3 ； ( 2 ) 同一桥臂两个开关器件由互补驱动信号控制，不能同时导通。 从图2 3 中可以看出，当上管p w m l 导通时，相应下管p w m 4 断开，反之亦然。如果 把上桥臂功率开关器件导通状态用“l 表示，关断用“o ”表示。三组开关共有八种状 态，即0 0 0 、0 0 1 、0 1 0 、0 1 l 、l o o 、l o l 、1 l o 、1 l l 。其中0 0 0 、1 1 1 两种模式是逆变器输 出为零，称为零状态【3 6 如。 ! ! 查竺! 圭竺苎竺查 永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 二二二= 二= = = ：= = 兰! ：! 兰! ! 竺兰 由图2 3 可以看出，逆变器输出线电压可以由式( 2 6 ) 表示： 睦 = 吃巴苫 ； 式中：吃为直流母线电压，、为线电压 假设电机绕组完全对称，根据分压原理，式( 2 6 ) 可以改写为逆变器相电压： 降臣； 式中：虬、虬为相电压。 开关状态对应8 个基本电压矢量，如图2 4 所示： 图2 - 4 基本电压空间矢量 f i g 2 4b 越i cv o l 嚼s p ev e 咖r 1 2 ) o 】 口 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 永嗣u 回步电机空间a 卅控制死区补偿研究 基本电压矢量表及相电压和线电压如表2 2 所列： 表2 2 开关状态表 t a b l e2 - 2s w i t c hs t a t e 三相定子电压可以通过c l 破变换得到静止坐标系下口轴、轴电压分量，如式( 2 8 ) 所示： 阱黼划刻 p 8 ， 式中：虬、为静止坐标系电压口轴分量。 表2 3 开关状态与空间矢量 t a b l e2 - 3s w i t c hs t a t ea n dt h es p a c ev e c t o r 1 3 广西大学硕士学位论文永磁同步电机空间矢量控制死区补偿研究 假设合成输出电压矢量在第一扇区，可以用相邻的基本电压矢量与合成，如 图2 4 所示： 根据电压与时间面积相等原则，有下面关系： 正= + 瓦+ ( 2 9 ) 寺毫 ( 2 - 1 0 ) 式中：t 为伺服周期，砜为0 度电压矢量，为6 0 度电压矢量，瓦为0 度电压矢量 所用时间，为6 0 度电压矢量所用时间。 投影到口轴和轴上，可得： u 声= 等i i s 咄6 0 0 ) ( 2 1 1 ) u g = 弘l + 嘉 式中：u 口、u 口为静止坐标系口轴电压分量。 其他扇区占空比计算与第一扇区类似。经过计算所有扇区占空比，总结规律，所有 扇区占空比由下面三个辅助变量组成：x = 、】，= 吉 ，+ 五口) 和z = 三( 一h 口) ， 以及2 个占空比变量f 。i 、k 。对于每个扇区，1 、，2 ：与辅助变量之间关系如表2 4 所列： 表2 - 4 开关状态与相邻矢量作用时间表 t a b l e2 - 4s w i t c hs 乜眦sa i l dr 0 i eo f v o l t a g ev e c t o rt i m e 在计算得到扇区号之后，由下面式子计算每相调制波与载波切换时刻： = 丝产 ，3 = ，2 + ，2 2 ( 2 - 1 2 ) 进而根据输出电压矢量所在位置，可以将切换时刻f 1 、，：和f 3 分配给逆变器适当的桥 1 4 广西大学硕士学位论文永磁同步电机空间鲁卅控制死区补偿研究 臂，以便输出给定的电压矢量，如表2 5 所示： 2 2 死区效应分析 表2 5 电机每相切换时刻 t a b l e2 5m o t o rp e r - p h 硒es w i t c h i n gt i m e 2 2 1 死区存在的必要性 电压源型逆变器换流是在同一桥臂上、下两个开关器件之间完成，其驱动信号采用 互补的p w m 信号，由于i g b t 的开和关需要一定时间，而且通常o 乙，因此就有可能 出现上、下两个开关器件同时导通的现象( 即一个还未完全关闭而另一个就已打开) 。当 同一相桥臂上、下两个开关器件同时导通时，就会导致直流侧电源短路。为防止出现这 一现象，通常在逆变器同一桥臂上、下两个开关器件导通之间加入一定时间间隔。即采 取“先断后通 的方法，先给要关断的开关器件输送关断信号，然后留一定的时间裕量， 待其完全关闭后，再给要导通的器件发出开通信号，通常把这些“时间裕量”称为逆变 器的死区时间，通常用乙来表示。死区时间的长短要根据器件的开关速度而定，开关管 开关速度越快，死区时间就越短。在常用i g b t 三相逆变桥中，死区时间要大于开关管 开通和关闭时间之和，通常大于4 s 。 死区时间给逆变系统带来的一些负面影响称为死区效应。死区效应主要由以下几个 因素引起u 2 j ： ( 1 ) 为避免同一桥的上下管直通而插入的死区时间； ( 2 ) 开关管的开通和关断时间； ( 3 ) 开关管和二极管的导通压降； ( 4 ) 母线电压； ( 5 ) 因为开关管寄生电容而产生的输出电压上升和下降沿斜率。 上述影响死区效应的因素中( 1 3 ) 可以通过测量或功率开关管的技术资料得到确 定数值，而( 4 ) 、( 5 ) 与电流有、温度有关，是一时变参数。 死区效应的存在使得逆变器输出电压和电流不能精确跟踪参考电压和电流，增加谐 波分量，使系统输出转矩存在很大脉动，尤其电机速度低于6 0 0 印m 时，可能导致系统不 稳定。如图2 5 所示，相电流传感器输出波形发生严重畸变。 1 5 广西大学硕士掌位论文永嗣龋i 步电机空间矢量控制死区补偿研究 图2 5 死区效应影响电流畸变示意图 f i g 2 - 5d e a d - t i m ee f f e c to f c u r r e n td i s t o n i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 图2 5 为空载、v = 2 7 0 叩m 、死区时间为9 6 微妙时a 、c 两相电流传感器输出电压波形。 2 2 2 死区产生模块 通过资料查找，并对比西门子英飞凌x c l 6 7 1 6 【4 0 】、摩托罗拉飞思卡尔m c 6 8 h c 9 0 8 m r 3 2 【4 、t i 公司t m s 3 2 0 f 2 x x 系列芯片的死区产生原理可知，三个公司的电机控制芯 片均通过可编程定时器来延时导通上桥，延时关闭下桥来产生一段死区，如图2 6 所示。 经过算法计算得到开关管切换点( 占空比) 的值后，占空比的值与载波匹配，匹配发 生后，p w m 发生模块会产生互补方波信号，然后输入到死区逻辑电路，最后输出到功 率驱动电路。可编程死区单元结构如图2 6 所示： 图2 6 是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 死区功能模块和波形图。t i 的1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中e v a 和e v b 模块具有可编程死区单元( 分别为d b t c o n a 和d b t c o n b ) ，有如下特点： 一个1 6 位的死区控制寄存器d b t c o n x ( 可读写) ； 一个输入时钟预定标器：预定标因子p 。可以是x 1 ，x 2 ，艄，) ( 8 ，x 1 6 和x 3 2 ； 内部( c p u ) 时钟输入； 三个4 位递减计数的定时器； ( 1 ) 死区单元的输入和输出 死区单元的输入位分别来自比较单元1 、2 和3 的非对称对称波形发生器的p h l 、p h 2 和p h 3 。 死区单元的输出为分别对应于p h l 、p h 2 和p h 3 的d t p h l 、d t p h l 、d t p h 2 、 d t p h 2 、d t p h 3 和d t p h 3 。 ( 2 ) 死区的产