（电机与电器专业论文）关于交流异步电机全数字矢量控制中死区补偿的研究.pdf

中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i ne l e c t r i cv e h i c l e s 。d e a d t i m ew h i c hi si n s e r t e di ns v p w ms i g n a l s o fv s i d i s t o r t st h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m sa n dd e t e r i o r a t e st h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo f a l li n d u c t i o nm o t o r b yp r o d u c i n gt o r q u er i p p l e s i nt h i sp a p e r , t h ei m v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d b a s e do ns v p w m ，d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o nm e t h o di s i m p l e m e n t e db yc a l c u l a t i n gt h ea n g l e o fp h a s ec u r r e n ta n dt h em a g n i t u d eo fe r r o r v o l t a g e t h ep r o p o s e dm e t h o di so n l ys o f t w a r ei n t e n s i v ea n de a s yt or e a l i z ew i t h o u t a d d i t i o n a lh a r d w a r e t h ed e a d t i m ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sa l s oe a s yt or e a l i z ei nt h e r e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mw i t h o u ti n c r e a s eo fc o n t r o lc o s t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m o t o r so u t p u tt o r q u ea n do u t p u tp o w e ri n c r e a s eb yu s i n gt h em e t h o d t h eh a r m o n i c s o fc u r r e n ta n d v o l t a g ea r ea l s od e c r e a s e dw i t ht h ed e a d t i m ec o m p e n s a t i o n t h ec o n t r o l s t r a t e g yi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s c a r r i e do na1 5 k wi mt h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h ev a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s s & t h e p r o p o s e d m e t h o d k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；i m ；i n v e r t e r ；d e a d t i m e j 望墅燮皇三堑窒堑塑堑窒生望些迨奎 第一章绪论 1 1 研究电动汽车的背景和意义 伴随着现代文明的进步，汽车越来越成为人们必不可少的交通工具，但是由 于传统的汽车使用内燃机作为发动机，需要以汽油和柴油为燃料，并产生尾气。 目前城市大气污染总量的半数以上来自燃油汽车尾气，尾气的大量产生是由于燃 油的不充分燃烧，而燃油的不充分燃烧又会降低其的利用效率。燃油属于不可再 生能源，因此就造成了能源的浪费。从大气环保和节省能源的角度出发，自本世 纪六十年代开始，美、法、德、日等发达国家竞相开展电动汽车的研究开发工作。 由于我国的汽车工业的发展与世界其他国家相距甚远，而电动车的研制开发为我 国汽车工业在新的起点上赶上世界先进水平提供了一个不可多得的大好时机。因 此，在我国进行电动汽车的研制有重要意义。 目前电动汽车主要有混合动力车和纯电动汽车两种设计方案。其中混合动力 电动车( h e v ) 使用内燃机和电动机两种动力，可以让内燃机保持在满负荷状态工 作，从而消除了汽车因怠速而产生大量尾气的可能性，可以有效地减少有害气体 的排放，由于h e v 不受电池容量的限制，避开了电动汽车发展的瓶颈，因此获 得了很大的重视。相对而占，纯电动汽车( e v ) 的控制较为简单，有比较成熟的理 沦，而且纯电动汽车( e v ) 的研制还可以进一步为混合动力( h e v ) 的开发奠定基础。 1 i 论是h e v 还是e v ，电动汽车都需要电机的驱动，因而发展对驱动电机的控制 技术也是电动汽车发展的关键技术之一。 采用电动机驱动的电动汽车，与内燃机汽车相比，具有下列优点： ( 1 ) 环保无公害，不排放废气，噪声水平低； ( 2 1 电动机易于进行电子控制，可以灵活的改变稳念特性，同时采用变频调速， 可以简化甚至省去变速齿轮装置； f 3 ) 电动机可方便地实现四象限运行，不需要专门的可逆齿轮装置。由于能产 尘制动转矩，因【n i 人人减小机械制动磨损； ( 4 1i 乜动机旋转对称，运仃平稳，振动极小，土_ 1 不存在使材剌产生疲劳的高温， 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 寿命长，维护j ：作量小。 由于电动汽车具有的这些优点，使得电动汽车作为绿色环保运输工具，越来 越受到各个汽j = 发达国家的重视，美、h 、德、法等国都制定了相应的发展计划。 各大汽车制造商也相继推出自行开发和研制的电动汽车，希望能够在未来的电动 汽车市场上占有一席之地。 1 2 电动汽车动力系统的研究 1 2 1 驱动性熊研究 同一般的调速驱动系统一样，电动汽车驱动系统也是由控制回路、功率回路 和电机三大部分组成。目前电动汽车的电气驱动系统大体可以分为直流驱动系统 和交流驱动系统两类。 直流驱动系统采用直流电机作为电动机，具有控制简便、动态性能较好的特 点，7 0 年代就已经实用化，广泛用于各种伺服驱动系统中。包括在早期的电动汽 车电驱动系统，至今仍然有广泛的应用，目前我国的电力机车大都采用直流驱动 系统。但是，由于直流电机换向器的存在，大大降低了系统的性能，限制了电机 的最高转速并且给驱动系统的维护带来了很多问题。因此采用直流驱动系统作为 电动汽车的驱动系统没有得到太大的发展。 随着电力电子技术和电机矢量控制理论的完善，交流驱动系统的优越性日益 明显。相对于直流电机而售，交流电机具有体积小、功率大、效率高、结构简单、 易于维护等优点，同时随着现代交流调速技术的发展，其动态性能已经达到或超 出了直流电机的水平。交流电机克服了直流电机因换向器带来的缺点，因此得到 了广泛的应用，交流驱动系统正逐步取代直流驱动系统成为电动汽车的主流驱动 系统。 在交流驱动中，主要使用异步电机、永磁同步电机( 包括无刷直流电机) 以 及丌关磁阻电机。异步电机以其结构简单坚固、成本低廉、工作可靠、维护方便 等突出优点，已经被广泛应用在电动车矢量控制驱动系统中，本课题组所研制的 t 乜动汽车就采用鼠笼型异步电机作为驱动电机。与交流异步电机相比较，永磁同 步电机体积小，重量轻，功率密度大，低速输出转矩大，效率高，维护简单；但 其高速运行比异步电机复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价较 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 i ：i 】。mj f ：关磁阻电机j c i 构简单、牢同，效率高，起动转矩大，价格低，免维护： 1 1 1 垃，”关磁阻电机1 1 景l j 人，输出转矩脉动火。总体隶说，各种交流电机都有其 优缺, k i j , ，棚比较而氧 1j u 侄l 乜动汽车中应月j 较多的是交流异步电机。 从目前的电动汽车驱动系统研究情况看，各种电机驱动系统都得到了应用。 早期的电动汽车采用直流驱动系统：如法国雪铁龙公司的s a x o 轿车，采用的是 2 0 k w 直流电机驱动。近年来出现的电动汽车均采用交流驱动系统，其中采用交 流异步电机的有：美国通用公司9 6 年推出的e v - - l 型轿车，采用1 0 0 k w 交流异 步电机驱动：德国大众公司9 8 年推出的g o l fi v 概念车，采用峰值功率达1 5 0 k w 的交流异步电机；采用永磁同步电机的有：日本本田公司9 8 年产e vp l u s 轿车， 驱动系统采用4 9 k w 永磁同步电机。另外还有福特公司、奔驰公司、丰田公司等 都推出了采用交流电机驱动的新型电动汽车。 从各公司装成的成品车或概念车来看，在电动汽车驱动系统中，主要采用交 流驱动系统，个别的车辆采用直流驱动系统；而在电动汽车交流驱动系统中，主 要使用异步电机和永磁同步电机，也有个别车辆使用开关磁阻电机；欧美公司多 采用交流异步电机，同本公司多采用永磁同步电机。可以预见，随着新型电力电 j i 元件的出现以及新控制策略的提出，今后绝大部分n 勺电动汽车将采用交流电机 驱动，在这单面，交流异步电机和永磁同步电机将得到广泛的应用。 1 2 2电机主要调速控制方法 总体上，电动汽车对其电气驱动系统的性能要求较高，主要包括： ( 1 ) 调速范围宽，无级变速； ( 2 ) 在恒转矩，恒功率区都可长期稳定运行并保持高效率： f 3 ) 动念响应快，系统鲁棒性好。 传统的交流驱动系统的调速方式有：变压调速、绕线式异步电机转子串电阻 渊速、串级调速、变极调速等等，但这些调速方式都存在着明显的局限。随着交 流变频技术、功率电子器件和微处理器技术的迅速发展，交流电机控制技术也取 n 了突破性进展，变频调速成为当前交流调速技术的主要发展方向，在电动车电 7 渊x 动系统中得到广泛应用。 常j l j 的, g j t 控制力法i ：要分为标量控制方法、矢嚣控制方法以及直接转矩控 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 制。 标量控制 标量控制可以分为定子电压频率( v ) 比恒定控制和转差频率控制两类。这 种手宁制方式的理论基础是电机的稳态运行方程，逆变器输出频率直接由速度给定 信号决定，因此只有在稳态时4 能保持定子或转子、气隙磁通恒定，而并未考虑 动态情况，这就造成采用标量控制方法的电机动态性能较差。而在电动汽车中， 采用的控制方法必须使电动机同时具有良好的稳态和动态性能。 矢量控制 矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，也是自控式变频调速控制中的 一种控制方法，它的基本理论是电动机的动态数学模型，因而可以使电动机获得 高性能的动态特性。在磁场定向坐标系中，可以将交流电机的电流矢量分解成产 乍磁通的励磁电流分量i ，和产生转矩的转矩电流分量j ，并使两个分量相互丁f 交，彼此独立，分别进行调节，从而实现控制量之问的解耦。采用矢量控制后， 交流异步电机的控制从原理到特性都与直流电机相似，电机磁通矢量的幅值和空 问相位在动态和稳态时皆为可控，从而使异步电动机调速系统的稳态、动态性能 日与直流电机调速系统相媲美，甚至在某些情况下还超过后者。由于采用矢量控 制能够使交流异步电机达到直流电机的控制性能，并且交流电机不需采用电刷换 向，克服了直流电机的弱点，因此矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采 j 的主要控制方法。在交流异步电机控制中，矢量控制是应用最广泛的一种。 根据坐标轴选取方法的不同，矢量控制方法可以分为：转子磁场定向控制 ( r f o c ) 、定子磁场定向控制( s f o c ) 和气隙磁场定向控制( a f o c ) 。实际中 较常用的是转子磁场定向控制和定子磁场定向控制。 由于在s f o c 和a f o c 中，电机电流矢量的励磁分量和转矩分量并非f 交， 不能实现控制量的完全解耦：只有r f o c 能实现电流励磁分量和转矩分量的完全 觯耦控制，所以r f o c 得到了较为广泛的应用。本文中异步电机所采用的控制方 法叩为转子磁场定向矢量控制。 撤掘欠量控制的基本思想，为了实现r f o c ，应将定子电流分解成两个解耦 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 分毓， 个是用来，“q i 转子磁通的励磁分量i 。另个是用来产生电磁转矩的转 矩分量l 。，。此时异步电动机的稳态电磁转矩】为： t e = 3 2 p 、( l 。2 l 弘m i “ 式中p 。为电机极对数，l 。为励磁电感、l 。为转子电感，其中i 。相当于直 流电动机的励磁电流，i 。相当于直流电动机的电枢电流。矢量控制的目的就是实 现对这两个分量的解耦和控制。要实现解耦控制，可以通过坐标变换的方法来实 现。通过3 2 坐标变换和二相旋转静止坐标变换( 详见第二章) ，最终可将三相 对称f 弦交流电流变换成两相直流电流，从而可通过分别单独控制励磁电流分量 和转矩电流分量来使异步电机达到类似直流电机的调速控制性能。 但是，r f o c 控制也存在一些缺憾，具体表现在必须依赖转速反馈信号和控 制性能受到转子时问常数t ，的制约。 直接转矩控制 直接转矩控制是另外一种闭坏控制，与矢量控制方法的思路不同，直接转矩 控制并不去考虑如何通过解耦，将定子电流分解成为励磁电流分量和转矩电流分 量，而是取消坐标变换，简单地通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢 量理论直接计算电机的转矩和磁链，并根据与给定值比较得到的差值，实现磁链 和转矩的直接控制。由于省去了旋转坐标变换等环节，直接转矩控制系统结构简 单明了，动态性能和静态性能都相对较好，受到了普遍的关注并得到迅速的发展。 目前直接转矩控制的不足之处在于低速性能不足，转矩波动较大，在电动汽车驱 动系统上应用难度较大。 1 2 3 逆变器中各种调制技术的比较 1 2 3 1 电动汽车对逆变器性能的要求 功率回路就是逆变装置，用来给电动机提供电源，通过编写电动机的控制软 件，可以实现对电机的转速、转矩及位置的控制。 按照逆变器商流滤波环节的不同结构，可以将逆变器分为电压源逆变器( v s l l 和f b 流源逆变器( c s i ) 两类。其中电流源逆变器由于直流滤波电感的存在，输出 l 也j 1 、r , j 迅速反向，因而无需增加设备即可实现再生能鞋回馈；但也因为电感的存 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 小变，改变脉冲付诺1 和 父频率，从而改变谐波的频谱分布，抑制噪声。 l ：弦p w m ( s p w m ) ，其输出的电压脉冲宽度按i f 弦规律变化，能有效抑制 淅0 ，使电机1 疗：j 工似的交变电压f 。从j 义来说，若通过对电压进行脉宽凋 制，使系统中某一物理量( 如磁通、电流) 按正弦规律变化，也可以称为正弦p w m 技术。在电气驱动中，电压s p w m 控制、空问电压矢量p w m ( s v p w m ) 控制 以及电流跟踪p w m 控制是常用的方法。 电压s p w m 电压s p w m 是最典型的p w m 技术，用需要输出的正弦信号作为调制波，用 高频= 三角波作为载波，控制逆变器一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。如 果在半个正弦周期内，只有上( 下) 桥臂的丌关管反复通断，下( 上) 桥臂开关 管不动作，则称为单极式s p w m 。如果在整个周期内，上、下桥臂的开关管交替 导通与关断，即在上通下断和上断下通的状态反复切换，则称为双极式s p w m 。 l ￥1 13 给出了双极式s p w m 的原理示意图。 图13s p w m 原理m 意图 、- 1 载波与调制波相交时，由该交点确定逆变器个桥臂开关器件的开关动作时刻 及j r 荚通断状态，获得一系列宽度不等的f 负知形脉冲电压波形。该脉冲序列的 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 小变，改变脉冲位胃和 天频牢，从而改变谐波的频谱分们，抑制噪声。 i i 弦p w m ( s p w m ) ，其输出的电t l ：脉冲宽度按j f + 弦规律变化，能有效抑制 惜波，使l u 机【作存近似的交变电小卜。从广义来说，若通过对电压进行脉宽调 制，使系统中某一物理量( 如磁通、电流) 按正弦规律变化，也可以称为正弦p w m 技术。在电气驱动中，电压s p w m 控制、空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 控制 以及电流跟踪p w m 控制是常用的方法。 电压s p w m 电压s p w m 是最典型的p w m 技术，用需要输出的正弦信号作为调制波，用 高频三角波作为载波，控制逆变器一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。如 果在半个矿弦周期内，只有上( 下) 桥臂的开关管反复通断，下( 上) 桥臂开关 管不动作，则称为单极式s p w m 。如果在整个周期内，上、下桥臂的开关管交替 导通与关断，即在上通下断和上断下通的状态反复切换，则称为双极式s p w m 。 图13 给出了双极式s p w m 的原理示意图。 j 八 ，| 、f vvv 。 1 ， 图1 ：s p w m 原理_ j 意图 。j 载波与渊制波相交时，由该交点确定逆变器一个桥臂丌关器件的开关动作时刻 及 芙通断状态，获得一系列宽度不等的正负矩形脉冲电压波形。该脉冲序列的 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 特，r j l 烂等幅小等宽，1 t 宽度按i t l ；规伴变化；，l ：r 弦波j i 个周期内，i 卜负脉冲的 1 自i 秘总和il l g k 波自澎j 等。s p w m 渊制的理论媾础是面积等效原则，而图l3 0 h 小横轴代表叫川，此s p w mf l j 川论伙抓实际是1 1 日j - t , t g 等效原胖。u j 以证明，当脉冲数足够多h j ，可以认为逆变器输出电压的基波幅值和调制波幅值 是相等的，即s p w m 逆变器输出的脉冲波的基波幅值就是调制时所要求的等效 f 弦波。在正弦脉宽调制中，一般定义调制波幅值与载波幅值之比为调制比m ， 当m 1 ，即调制波幅值小超过载波幅值州，s p w m 逆变器输出的电压基波幅值 与m 成i f 比关系。s p w m 逆变器通过正弦调制得到的是单相电压，需要输出三 相正弦电压时，可以对三相电压分别进行调制。 电压s p w m 容易实现对电压的控制，控制线性度好，但存在电压利用率低 的问题。采用一般的线性调制方法，调制波幅值不能超过载波幅值，所以电压 s p w m 输出的相电压基波幅值最大为母线直流电压的一半，即u 。= o5 u 电压利用率小高。 电压空间矢量法( s v p w m ) 电压空川i i 矢量法( s v p w m ，也称磁通7 i - l g 玄p w m ) 是从电动机的角度出发， 着眼于如何使i 乜机获得恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相正弦波电压供电 时交流电机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁 通去逼进基准磁通圆，从而达到较高的控制性能，使得电机具有较好的调速性能。 - - 4 ：日电压源型逆变桥的匕桥臂和下桥臂开关状态互补，故可以用三个上桥臂的功 率器件的丌关状念柬描述逆变器的工作状态，从而有) t i c 组合。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 ( ol 1 、锵| | j督 ( 111 ) 图1 4s v p w m 基本矢量 ( 100 ) s v p w m 控制技术的目标就是要通过控制开关状态组合，将空间电压矢量厅 控制为按设定的参数做圆形旋转。在某个时刻，厅处于某个区域中，霞可由组成 这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。三个矢量 的作用时问可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加。通过控制各个 电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，就可以使电机磁通也 逼近圆轨迹。从一个空间矢量旋转到另一个矢量的过程中，应当遵循功率器件的 丌关状态状态变化最小的原则，即应当只有一个桥臂的开关状态发生变化。 s v p w m 的优点主要有： ( 1 ) s v p w m 谐波优化程度高，消除谐波效果比s p w m 要好，实现容易， 并且可以提高电压利用率。 ( 2 ) s v p w m 比较适合于数字化控制系统，目前以微控制器为核心的数字化 控制系统是发展趋势，所以逆变器中采用s v p w m 应是优先的选择。 ( 3 ) 以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心，构成全数字控制系统，可以以两种 方式实现s v p w m ，在一般的中小功率变频调速系统中，采用该芯片实现s v p w m 控制技术是非常适合的。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 1 3 死区的产生及其影响 r i ! 采用j 7 s v p w m 的逆变器中，由于丌关元件的固有凶素的影响，逆变器不 能做到理想的j l ：关状念。为了保证上f 桥臂之州不发牛短路情况，需要设定一个 时间间隔，以保证上下桥臂不会同时导通，这段上下桥臂同时关断的时间就称为 死区时间。出于续流二极管的存在，会使上下桥臂在同时关断时，逆变器仍能够 输出电流。由于逆变器不能工作在理想的丌关状态下，因而输出的电压波形会发 生畸变，影响电动机的工作；同时逆变器的输出电流也发生畸变，产生高次谐波， 使得电动机的转矩发生脉动，影响到电机的动态性能和稳定性。为此，需要对死 区所造成的影响进行补偿，以减少或消除死区所导致的电机性能的降低，因而进 行本课题的研究具有实际的应用价值。 1 4 死区补偿策略研究现状 目前研究死区补偿主要有两个方向：一种是硬件补偿，这种补偿策略需要增 加硬件，通过输出实际电压和电压参考值的比较得到需要补偿的电压信号。如刘 风君教授n ： s p w m 逆变器死区影响的几种补偿方法【1 1 中提到的一些使用硬件 来进行补偿的些实例；另一种软件补偿，采用纯软件的方法，在电机的控制程 序中加入死区补偿的算法，来实现对死区影响的补偿，这种方法的优点是不需要 额外添加硬件，且更加灵活，适用性强。 i 鲴外般使用软件的方法来实现死区补偿，现在工业上采用的方法一般是计 算出需要补偿的电压的平均值，然后通过坐标变换，求出在旋转坐标系中，所需 要补偿的电压矢量。 ( 1 ) t a k a s h is u k e g a w a 和k e n z ok a m i y a m a 等人提出了一种在旋转坐标系中 的补偿方法，利用参考电流i ：和代替实际电流f 。和i 。再将参考电流从d - - q 坐 r 标系变换到静止坐标系中，得到电流矢量k 砝，然后在静止坐标系中，通过坐 标变换将两相电流转变为三相电流，根据每一相电流方向判断出所需的每相补偿 l h 的极讹，而补偿电压幅值的大小等于误差电压的平均值。在求出每相补偿电 j i , ij n ，将j i 经过坐标反变换t 得到d q 坐标系中的补偿矢量【j 嘭j ，由 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 矿j k j 】的表达式，设计出补偿电压的算法。 ( 2 ) s h k i m 和t s p a r k 等人在补偿矢量( 的表达式的基础上l s 采用傅立叶级数分解得到补偿电压矢量的谐波表达式： u 二= ；a u d ( c o s o + c o s 5 0 一 c o s 7 c p + ) u 二= u d ( s i n o 一s i n 5 伊一 s i n 7 妒+ ) 其中妒为相电流与静止坐标系口轴的夹角，可以由下式计算： 妒= p d t + 口+ 式中： 臼= 喀“( ) a u 。，由下式计算： a u = 争 式中瓦为死区时间，t 为载波频率，为逆变器直流母线电压。 在得到补偿向量的傅立叶级数之后，对基波、5 次、7 次谐波进行补偿。 ( 3 ) a a r i a s 和j l r o m e r a l 等人提出i ，在进行p w m 调制时，得到六个非 零电压矢量，用这六个非零电压矢量产生一个正n 多边形轨迹的磁链( n 取1 2 的倍数) 五。 九= m = k f + a o 其中t 。为k 的作用时白j ，；t o 为磁链起始值。 假设圪位于下面的扇区中： 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 取e 做主矢量，作用时问为瓦；e ：为辅助矢量，作用时间为兀；e 。为零矢 最，作用时间为。则： 瓦= e l 正+ e 2 疋+ e o 瓦 疋= 一十t + t o 由于v 。是由逆变器的三个不同的状态得到的，则在瓦的时间里有三次变化， 每次变化都会在死区时间里产生不可控状态，假设乃为死区时间。取 k ( k 。 l ) ，若f i 。( r = 五，咒，l ) ，则相应的e ，就会由于死区而被掩盖， 不出现在逆变器的输出电压中，逆变器的输出电流就会被严重扭曲。 为了进行补偿，采用如下的方法： i f z 瓦。t h e n i f r r n 必_ 一= 0 ( t h e s t a t ew i l ln 。t c h a n g e ) i f p r ，彳。r 砜。 这样就减小了死区造成的电流畸变。 因此，从上面这些补偿方法来看，在一般的软件补偿方法中，都假设输出电 流纹波可以被忽略。在此前提下，可以用电流参考值来代替电流的实际值判断电 流方向。在绝大多数的情况下，采用这种方法可以有效地进行死区补偿。 1 5 论文的主要工作 本课题的研究内容为：用于电动汽车的异步电机驱动系统的改进。其目标是 根据电动汽车的实际需要，在已有的研究成果的基础之上对其进行改进，使其性 能得到进一步的提高。这一课题内容涉及电机，电力电子，控制理论，计算机及 d s p 软硬件等多方面知识的应用，主要工作是在原控制软件中增加死区补偿算 法。考虑到时问有限，本文主要进行以下的工作： ( 1 ) 对于原有实验平台的改造； ( 2 ) 在对各种控制策略的比较后，确定对异步电机的控制策略，并对电机的 基本性能进行测试； 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 ( 3 ) 住对各种死区补偿算法进行研究的基础七，提出一种基于t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，以转子磁场定向控制为基础的交流异步电机矢量控 制r i q 死区补偿算法。存异少电机控制程序中加入该死区补偿算法，通 过实验进行验证。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 第二章s v p w m 死区补偿的研究 2 1 异步电动机的矢量控制： 根据电机过渡过程的理论，可以通过坐标变换使交流异步电机的控制问题简 化。它的基本思路是将三相异步电动机等效为空矧上互差9 0 0 的- * n 电动机，由 此推导出电机在两相旋转坐标系中的状态方程式。这种变换从物理意义上不难理 解。因为电机的机电过程是通过磁场作用进行的，只要变换前后的磁场不发生变 化，电机的机电过程就不会发生变化。事实上，三相交流电机通以三相对称电流 n j 以产生圆形旋转磁场，二相电机通以- * g x , l + 称电流也可以产生圆形旋转磁场。 因而，从产生旋转磁场的角度出发，不必去追求这个磁场是- 4 j帮：、萨。潦，叫 f，士k0 j j r 0 0骥爹=一兮扎-一浮v。，一。 一 型一二二 一 一封 r111imrl j1刈l 理想波 一 hiiiiiiiiiiiiiiiu !ji小ijijihi ，：=：二|_-：汁iiiii i i i i i u _ ，ll卜lll，。j。=i i=。=。卜il。i=ji。i。 l ilf】ji测割副国 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 9 i x i f j 设管，j 浊何两种： 种是提胁7 1 , 1 2 关断、延迟7 、，1 2 导通的双边对称i , 9 霄；另种是按l l j 天断、延迟r ，导通的单边小刈称设旨。本课题i , j 论的是双边对 称设置。 通过傅, 3 t , k 级数分析，可以知道由于死区的存在而导致的误差电压会引起逆 变器输出电压基波幅值的减小和5 、7 次等谐波分量的增大，基波幅值的减小会 使电动机的输出转矩减小；谐波的增大会引起电机的发热、振动；同时由于这些 原因，电机的运行效率也会降低。因此，死区的存在会影响电机的性能，研究死 区的补偿策略具有实际意义的。 2 4 死区补偿的数学模型和计算 24 1 补偿电压矢量公式的推导 在本课题中，为了完成死区补偿的任务，在原有的总体的控制框图( 如图2 6 所示) 中加入了死区补偿的模块： 图2 6 全数字矢量控制结构图 l h2 3 节f 内训论，可以知道误差电压是由设置的逆变器的死区h , jl n j 造成的， 圳f 1 】包含綦波和奇次偕波分量，然而，由于零序电压( 如3 次，9 次等) 在线电 而磊壬勰嬲兽禁警墼些造塞 从l 不存在，w 此死k 的补偿汁算可以在旋转坐标系i p 完成；衰石磊i _ 森 坐标系q 1 产生的补偿信号，对除零序谐波以外的奇次谐波分量进行了补偿。 由21 节“j 知，从旋转两相坐标系按下面的关系向静止两相坐标系变换： 刚篇篇阱吖黜：矧，：， 式中e 、是。一b 坐标系的分量，c 、，：是d q 坐标系中的分量，? 是电机 定子电流的幅值，q 是逆变器输出电角频率，而目：t a l l ( i ：l q ) 。因而，随着 l ，的增加，电流空问矢量沿着圆轨迹旋转。 从静止两相坐标系可以得到三相坐标系中各分量的佰 i：；= 1 0 i3 22 l3 22 ( 2 】3 ) i 0 囊i 。是a b c 坐标系中的分量。 以上面提到的变换为基础，可以从静止三相参考坐标系中的补偿信号得到静 两棚坐标系中的补偿量： 阱 21 33 0 占 3 而且，我们由此还可以得到在旋转两相坐标系中的补偿分量的值 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由于误差电压和电机电流的极性有关，因此，补偿电压的变化不是连续的 补偿电压的极性和电机定子电流有关，而补偿的幅值则与误差电压的大小有关 也就足与死区时州有天。 参考图2 7 ，呵以看出从区域a 到f ，相应的有下面的补偿矢量： 4 0 n 0 1l，lliiiiiiii，llj 、：，j。j m m 。 h io ii o io 且 1 ，上打 j ”io业 m 3 s c兰 c 一 ，l i | 1j 矿矿 ，。，l 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 c d 、d 0 f 一t 6 r2 丁 f 66 坚墨f 堡 66 坚f 堡 66 竺f 望 66 坚f 丁 6 e f 图27 补偿矢量与电流矢量关系示意图 由电流矢量向三相坐标轴作投影即可得到电流在三相坐标系中的按时间变化 的分量，如图2 8 所示。 当 当 当 当 当 当 品一曲品习品一旷 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 一 口8 口6 04 02 口 02 04 ，d6 08 1 0345 67 c o t ( t a d ) ( a ) a 相分量 c o t ( t a d ) ( b ) b 相分量 2 4 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 图2 - 8 补偿量在三相坐标系中的分量 再经过3 1 2 变换，将各补偿量变换到二相静止坐标系上，可以得到电压补偿 量在二相静止坐标系中的分量，如图2 9 所示。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 一 ( a ) o 轴分量 1 ( t a d ) ( b ) 0 轴分量 阁29 电压补偿量在_ 相静i 上坐标系中的分量 2 6 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 经过上面的推导最终_ 】j 以三相坐标系中的补偿电压矢量推导出二相旋转 毕标系t m 补偿电j i 、矢量的值，如图210 所示。 ( a ) d 轴分量 01234 56 7 c o t ( r a d ) ( b ) q 轴分量 图21 0 电压补偿量在二相旋转坐标系中的分量 8 6 4 2 0 2 4 6 8 0 0 d 0 0 0 0 0 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 从 l 直j 的讨论中，川以得j _ | j f 乜压补偿量由f 面的公式确定 f c l = v ic o s 3 ”嘲c o l t + o - _ 刮 ( 2 1 6 ) oj y ：= 矿，s i n 【季什“”c ( c o l t + 臼+ + i z ，j 2 t ) - - c o l l 式q 1 ：y ，= l 修( 是逆变器的输入电压) ，0 + = t a n 。( e c ) 。当 a = m b + c ( c 0 ) s g n ( 。) = 0 ( f ，= 0 ) i 一1 ( i x o v ，+ v 。 r 时间 + v 2 干v d f ( b ) 、i x o 图2 1 4j f 向管压降的影响 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 | 冬| 215 为v 。和v 。1 i 负载电流的父系 i j l 线。 输 出 电 压 负载电流i 。( a ) 图2 1 5 开关管正向管压降与负载电流的关系曲线 因此，考虑到管压降的影响，在补偿公式中需要对补偿电压向量的幅值进行 修正，从而得到实际应用的补偿公式。在实验中采用修正后的补偿公式，较好地 改进了电机电流波形。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 第三章基于转子磁场定向控制的死区补偿的实现 31 实验系统的硬件组成 本课题在一台15 k w 交流异步电机上进行了实验，其主要任务是实现和验证 死区补偿的控制算法。由于本课题时间紧张，目前暂时无法在功率较大的异步电 机_ | 二进行实验，但该系统基本控制策略以及硬件结构上与大功率系统相差不大， 将来可以较为方便地将此控制算法移植到大功率系统中去。 实验系统由控制回路、主回路和电机组三大部分组【成。 3 1 1系统控制回路 系统控制回路主要包括了d s p 微处理器系统，数据采集和控制信号u o 电路， i p m 驸动电路，保护电路等子系统。图31 为控制回路系统结构示意图。 饥“精 ，7 、 | 躲 叫 t m s 3 2 0 f 2 4 0 图31 控制回路结构 f 1 ) d s p 处理器是控制回路的核心部分。采用了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 数 字信号处理器，包含了大量用于工控场合的信号输入输出资源，如数， 模、模数转换，脉冲计数，以及数字量输入输出的接口。 f 2 )信号整形电路：在大量的信息进入d s p 之i j i ，一般都要经过一些必要 的处理，这就是信号整形电路的主要功能。 f 3 1i p m 驱动电路：为j 芒成对功率器件的丌关控制，d s p 的i o 接ii , 输出的 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 ( 4 ) ( 5 ) i u 、1 i l j 必须经过隔离，f h - s k 动d 能进入功率器件的控制端，为此也要有 j 阿j g 选到j 电路配合。 保护电路：为保证系统的i f ：常运行并防l e 大功率运行时可能出现的故障 状念对系统的破坏，保护电路丰耍功能是在模块参数越限时保护控制系 统，并发出故障警告信号。这些信号和由功率器件产生的保护信号可以 通过硬件电路直接让系统处于保护状态，还可以通过i o 接口进入d s p ， 有助于软件对故障的检测和控制。 由于功率器件的驱动电路需要各自独立的弱电电源，而d s p 系统和信 号调理电路也需要不同的电源支持，所以系统中有个多路独立输出的 丌关电源电路。 整个d s p 及驱动控制系统的调试都是通过外带的p c 来完成的。d s p 程 序的载入和运行主要通过p c 机上的仿真器进行；此外，系统还使用 l a b v i e w 软件实现d s p 和p c 的串行通讯，并在实验中通过l a b v i e w 对d s p 稃序的内部变量进行实时监测，极大的方便了程序的调试工作。 3 1 2 主回路硬件结构 电机驱动系统的直流电源由三相调压器、不控三相整流模块、滤波电容组成。 实验系统中的直流母线电压通过3 8 0 v 三相工频交流电整流获得，由于使用了三 相调压器供电，可通过调节调压器输出电压获得不同的直流母线电压值。采用大 容量电解电容滤波，因此在空载时可以获得纹波很小的直流母线电压。由于实验 所用调压器容量较小，实验中为保持直流母线电压不变，需要随电机负载的变化 1 i 断调节调压器的输出电压，保证直流母线电压保持不变。 主回路由三个智能驱动模块i p m 构成，组成三个侨臂，强电部分和弱电部分 由光耦隔离。主回路输出p w m 驱动信号驱动异步电机。控制系统的反馈信号有： 直流母线电压信号、电机的电流信号、以及电机转速信号。其中，电机的电流信 号是通过a 、c 相电流传感器信号取得，b 相电流由a 、c 相电流计算得出。电 机转速信号安装在电机卜的光码盘取得。 j 二i 路v , j j 4 i 扑结构如图3 2 所示： 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 、 图3 2 主回路拓扑结构图 在实际电机控制系统中，控制系统只对直流母线电压、电机的a 、c 两相电 流进行检测，对异步电机的定子电压信号不进行检测。主要原因是：在p w m 调 制下，异步电机输入端电压是高频的丌关量( 5 k h z ) ，而控制系统的采样频率也是 5 k h z ，因此无法f 确获得电机的定子端电压。如果必须用电压传感器采集电压信 号，则需要使用一个低通滤波器。而低通滤波器的存在会对检测到的a 、c 相电 压产生一个滞后的相移，这个滞后的相移会影响电机及其控制系统的稳定性。在 实验中，a 、c 相电压的值通过电流调节器的输出电压信号和直流母线电压值推 算得到。在实验中证明采用此方法对电机控制系统的性能影响不大。 3 1 3电机及实验机组 本文使用的1 5 k w 交流异步电机试验机组如图3 3 所示。在这个系统中，有 + 台1 7 k w 直流电机与异步电机连轴作为发电机使用；电枢的两端接一个可调功 率电阻作为负载：同时直流机的励磁电压也可以调节。在实验中，可以通过调节 直流电机的励磁电压或者通过调节功率电阻来实现对异步电机驱动系统的负载调 行。 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 宵流电机励磷 图331 5 k w 交流异步电机试验系统的构成 以下给出了各试验电机的铭牌参数： 1 5 k w 交流异步电机铭牌参数： 型号：y s 9 0 s 2 额定功率：1 5 k w 额定电压：3 8 0 v 额定频率：5 0 h z 额定转速：2 8 0 0 r p m 额定电流( 相) ：3 4 5 a 定子电阻：6 6 1 4 欧姆 极对数： l 绝缘等级：b 级 n = 7 8 c o s 中= 0 8 5 堵转转矩额定转矩：2 2 最大转矩额定转矩： 2 4 堵转电流额定电流：7 编码器：每转2 5 0 0 脉冲 1 7k w 直流电机铭牌参数： 型号：z 一2 2 额定功率：1 7 k w励磁方式：他励 额定电压：2 3 0 、，励磁电压：2 3 0 v 额定电流：74 a励磁电流：o 2 7 a 额定转速：2 8 5 0 r p m 绝缘等级：e 级 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 一 3 2 1 5 k 、v 交流异步电机的基本性能实验 1 5 k w 义1 、x ”j i lj 。t 少f i ! l 机的基本性能试验i - 要足交流异步电机的负载试验，该组 试验主要为检测电机及其控制系统的基本性能，验证控制软件的f 确性。 基本性能实验由两部分试验组成： l 、由调压器直接供电开环控制负载试验： 用调压器直接供电，驱动电机带负载运行，图3 4 给出了试验测得的异步电 机性能曲线。图( a ) 所示为电机转速与输出转矩之间的关系曲线，图( b ) 所示 为电机定子电流与转速之间的关系曲线，图( c ) 为电机输出功率与转速关系曲 线。 e 蚓 水 3 0 0 0 1 5 0 0 。3 8 0 v 3 4 0 v iili i li llli 1 l_ ji iiit lli lllll llir l ll l1i iii iii i_l ii1 il ili ii ill ill i ll _ 1ii l -ji - iiil ill li- lt 转矩( n m ) ( a ) 转矩与转速关系曲线 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 z v 燎 脚 h 1 删 转速( r p m ) ( b )定予电流与转速曲线 转速( r p m ) ( c )输出功率与转速由【线 图3 4 调压器供电异步电机特性曲线 中国科学院电工研究所硕士研究生毕业论文 从以i _ 符t j 以看出： ( 1 ) “j 定f 电小恒定，转差不人( s o15 ) 时，电机转速与输出转矩之间基 本成线性火系。在相同转速情况f ，定子电压越高，输出转矩越大；