（电气工程专业论文）基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究.pdf

嬲嬲必 ? y 19 d 岩。：i ”岁若。 c o m p e n s a t i o no fd e a d - t i m e e f f e c t sb a s e do na d a p t i v eh a r m o n i c f i l t e r i n gi nt h ev e c t o r c o n t r o l l e da c m o t o rd r i v e s 吣 h ex i a n g b e ( h u n a nt e c h n o l o g yu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e l e c t r i ce n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o l e s s o rz h o ul a w u a p r i l ，2 0 1 1 o 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名j 硬右 日期：加r ，年r 月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 顿店 词1 能 日期： 勿f 年歹月矽日 日期：如，1 年r 月必日 甚于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 摘要 矢量控制理论结合了电机统一理论、机电能量转换和坐标变化理论等思想， 将异步电动机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量进行控制，实 现解耦，将异步电动机等效成直流电动机。在逆变器的控制中，由于死区时间的存 在，当开关频率很高或者输出电压很低时，逆变器的输出电压波形产生明显的畸 变，从而导致电机的电流发生畸变，附加损耗和转矩脉动增大，控制性能降低。 因此，对矢量控制系统中的死区进行补偿对改善电机控制质量具有重大意义。 本文详细了分析了矢量控制的原理、谐波影响、死区补偿的常用方法、死区 时间对逆变器输出电压电流波形的影响等，提出一种新的基于死区时间内谐波分 析和失真滤除技术的p w m 死区补偿方法一基于自适应全通滤波器的死区补偿法。在 同步坐标系中，基波成份的补偿主要是通过对异步电动机的参考电压植入一个前 馈补偿电压信号来完成，基于自适应二阶格型滤波器的谐波补偿器和电流控制器 构成的反馈回路完成谐波失真的补偿。这种反馈方法能很好地补偿同步坐标系中 逆变器输出量的基波和6 次谐波，可以缩小死区时间内由于逆变器输出电压波形 失真而引起的电流波形失真，具有高度的软件集中性，不受电流极性的影响，能 随着逆变器开关管的非极性变化而变化，对改善交流异步电动机矢量控制系统的 性能有很好的作用。 不同频率下，基于自适应滤波的死区补偿器对输出电流波形的影响不同，谐 波补偿效果也有区别。在上述研究的基础上，将补偿方法应用在异步电动机矢量 控制系统中，使用d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行控制，并在m a t l a b 中搭建s i m u l i n k 仿真模型，进行验证。系统仿真实验表明：对补偿前后逆变器输出的电流波形进 行比较，其畸变得到了明显改善，谐波分量大大减少，基波和6 次谐波得到了很 好的补偿，达到了预期的设计效果。为了进一步验证这两种补偿方法的实际补偿 效果，本文还为验证实验做了一些前期的准备工作。 关键词：死区补偿；电压源型p w m 逆变器；交流异步电动机；仿真 i i 硕七学位论文 a b s t r a c t t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r yc o m b i n e st h eu n i f i e dt h e o r yo fe l e c t r i c a l ，e l e c t r i c a l e n e r g y c o n v e r s i o na n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nt h e o r y i n d u c t i o nm o t o rs t a t o r c u r r e n tv e c t o rw i l lb ed e c o m p o s e di n t ot w od cc o m p o n e n t s b y r o t o rf i e l d o r i e n t a t i o nt oa c h i e v ed e c o u p l i n g t h ei n d u c t i o nm o t o ri s e q u i v a l e n t t oad c m o t o r w h e nt h es w i t c h i n g f r e q u e n c yi sh i g h o rv e r yl o w ，t h eo u t p u tv o l t a g e w a v e f o r mo ft h ei n v e r t e rd i s t o r t i o no c c u r ss i g n i f i c a n t l yd u et ot h ed e a d - t i m ee f f e c t s ， t h e r e b yc a u s i n gc u r r e n td i s t o r t i o n a tt h es a m et i m e ，a d d i t i o n a ll o s s e sa n dt o r q u e r e d u c et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ec o m p e n s a t i o no ft h ev e c t o rc o n t r o l s y s t e m sd e a d - t i m ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec o n t r o lo f m o t o r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h ev e c t o rc o n t r o l ，h a r m o n i ce f f e c t s ，t h e c o m m o nm e t h o do f d e a dt i m ec o m p e n s a t i o n ，t h ee f f e c t so ft h eo u t p u tv o l t a g ea n dt h e c u r r e n tw a v e f o r m so ft h ei n v e r t e rd u et ot h ed e a d - t i m ee f f e c t s t h i sp a p e rp r e s e n t sa n e wp w md e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sc a l l e dt h ec o m p e n s a t i o no f d e a d - t i m ee f f e c t sb a s e do nt h es e c o n do r d e rl a t t i c eg r a y - m a r k e lf i l t e ra n db a s e do n h a r m o n i c a n a l y s i s a n dd i s t o r t i o nf i l t e r t e c h n o l o g y w i t h i nt h ed e a d t i m e t o c o m p e n s a t et h eh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h eh a r m o n i cc o m p e n s a t o rw i t ha l l p a s s - b a s e d a d a p t i v eb a n d - p a s sf i l t e r i sp r o p o s e da n di sb u i l tu pt h ef e e d b a c kl o o pw i t hc u r r e n t c o n t r o l l e r si no r d e rt om i n i m i z et h ed i s t o r t i o n sd u et od e a d t i m ee f f e c t s t h em e t h o d o n l yc o m p e n s a t e s t h ef u n d a m e n t a l a n ds i x t hh a r m o n i c c o m p o n e n t o ft h e i n v e r t e r - o u t p u t d i s t o r t i o n si n s y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef r a m e t h ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n ti sc o m p e n s a t e db yf e e d - f o r w a r da d d i n gap r e d e t e r m i n e dc o m p e n s a t i o n s i g n a lt ot h ev o l t a g er e f e f e n c eo fa cm o t o rd r i v e t h em e t h o di s s o f t w a r ei n t e n s i v e a n di n d e p e n d e n to ft h ep o l a r i t yo ft h ep h a s ec u r r e n t sa n dn o n l i n e a r - s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c sv a r i e dw i t ho p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ei n v e r t e r i th a sa g o o d e f f e c tt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m a td i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，t h ed e a d t i m ec o m p e n s a t o rb a s e do nt h ba d a p t i v ef i l t e r h a sd i f f e r e n te f f e c t so nt h eo u t p u tc u r r e n tw a v e f o r m ，a n dt h ee f f e c to fh a r m o n i c c o m p e n s a t i o n i sa l s od i f f e r e n t o nt h eb a s i so ft h ea b o v es t u d i e s ，t h en e w c o m p e n s a t i o n m e t h o dw i l lb eu s e di nt h ev e c t o rc o n t r o l t h e o r y o ft h ea c a s y n c h r o n o u sm o t o ru s i n gd s p t oc o n t r o l ，a n dt h e nb u i l ds i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b i i i t oc o m p l e t et h ev e r i f i c a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a n i m p r o v et h ed i s t o r t i o n so ft h eo u t p u tv o l t a g ea n dt h ec u r r e n tw a v e f o r m sa n dr e d u c e t h eh a r m o n i cc o m p o n e n t ss i g n i f i c a n t l y t h es i x t h h a r m o n i c a n dt h ef u n d a m e n t a l h a r m o n i ca r ew e l lc o m p e n s a t e d t h i sd e s i g nm e e t st h ed e s i r e d t ov e r i f yt h e a c t u a lc o m p e n s a t i o ne f f e c t so ft h e p r o p o s e d p r e p a r a t o r yw o r kf o rt h et e s ti nt h i sp a p e r d e s i g ne f f e c t i no r d e r ， m e t h o d ；ia l s od i ds o m e k e yw o r d s ：d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o n ；v o l t a g e s o u r c ep w mi n v e r t e r ；a c a s y n c h r o n o u sm o t o r ；s i m u l a t i o n i v 硕七学位论文 插图索引 图1 1 死区补偿方法分类图3 图2 1p w m 逆变器电路8 图2 2 空间电压矢量8 图2 3 逆变器开关矢量图1 0 图2 4 死区时间内p w mv s i 的一组桥臂电流示意图1 2 图2 5 门极信号和输出电压信号图1 3 图2 6a 相输出基波电压电流以及死区电压波形1 3 图2 7 零电流钳位现象15 图2 8 电流空间矢量图。：16 图2 9 两相静止坐标系内误差电压和电流的幅值关系图l7 图2 1 0 不同极性下a 相电路开关动作过程1 8 图2 1 1 电流反馈型补偿电路2 0 图2 1 2 电压反馈型补偿电路2 1 图3 1 自适应滤波器的组成2 2 图3 2g r a y m a r k e l 格型滤波器2 3 图3 3 格型滤波器梯度算法流程图2 8 图3 4 基于全通的自适应滤波器的z 变换函数模块2 9 图3 5 二阶g r a y m a r k e l 格型滤波器原理框图2 9 图3 6 基于自适应滤波器的基波和6 次谐波补偿方案3 0 图3 7 旋转变换矢量关系图：3 4 图3 8 异步电动机的磁势磁通空间矢量图3 5 图3 9 矢量控制坐标变换过程框图+ 3 6 图3 1 0 矢量控制结构图3 9 图3 1 1 转差型矢量控制结构3 9 图3 1 2 参数自校正转差型前馈矢量控制系统结构图4 0 图4 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制板框图。4 4 图4 2 异步电动机的整体驱动框图4 5 图4 3 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统整体方案4 6 图4 4 磁场定向算法主程序流程图4 8 图4 5q e p 接口中断流程图4 8 图4 6 速度调节流程图5 0 图4 7 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统等效模型5 1 v i i 摹于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 图4 8 异步电动机s i m u l i n k 仿真模型5 1 图4 9 矢量扇区判断图j 5 2 图4 1 0p a r k 变换s i m u l i n k 模型5 2 图4 1 1s v p w m 仿真模块图5 3 图4 1 2 转子磁场定向s i m u l i n k 模型5 3 图4 1 3 基于自适应滤波器的死区补偿器一5 4 图4 1 46 次谐波滤波器5 4 图4 1 5 二阶格型自适应滤波器仿真模型5 4 图4 1 6 补偿前后定子电流波形图6 0 图4 1 7 补偿前后相电流谐波频谱图：6 l 图4 1 8 有无补偿时d q 轴电流频谱图6 1 图4 1 9q 轴6 次谐波电流的特性6 2 v i l l 硕? i ：学位论文 附表索引 表1 1 逆变器的空间电压矢量：9 表3 1 线性自适应滤波算法的分类2 3 表4 1 感应电机的参数6 0 表4 2 实验系统的参数6 0 i x 硕七学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引i x 第l 章绪论1 l ：1 课题研究背景及意义l 1 2 矢量控制系统中死区效应补偿的研究现状”2 1 3 本文主要研究内容5 第2 章异步电动机矢量控制死区效应及补偿策略分析：7 2 1 电压空间矢量p w m 技术的基本原理及控制算法7 2 1 1 电压空间矢量p w m 技术的基本原理8 2 1 2 电压空间矢量p w m 技术的控制算法1 0 2 2 死区效应分析1 1 2 2 1 死区对输出电压输出电流的影响1 3 2 2 2 死区内误差电压电流谐波分析1 5 2 2 3 功率开关器件寄生电容对异步电动机控制性能的影响1 7 2 3 逆变器死区效应补偿策略分析1 9 2 3 1 电流反馈型补偿法1 9 2 3 2 电压反馈型补偿法。2 0 2 4 本章小结21 第3 章基于自适应滤波的死区补偿方法研究2 2 3 1 自适应格型滤波器的基本算法分析一2 3 3 1 1 自适应格型滤波器的梯度算法分析2 4 3 2 基于自适应滤波的死区补偿原理及在矢量控制的原理2 8 3 2 1 自适应滤波死区补偿方案2 8 3 2 2p i 电流控制器的参数整定3 l 3 3 异步电动机电机矢量控制系统3 4 3 3 1 矢量控制中的坐标变换方程。3 5 3 3 2 矢量控制系统的数学模型3 6 3 3 3 异步电动机矢量控制原理框图。3 8 3 4 本章小结4 2 v 基于自适麻滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 第4 章基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统仿真及效果分析4 3 4 1 以d s p 为控制核心的数字异步电动机矢量控制系统硬件组成4 3 4 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点和功能4 3 4 1 2 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统整体驱动框图 z i ! ； 4 1 3d s p 仿真软件实现4 7 4 2 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统软件仿真5 0 4 2 1 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统仿真框图5 0 4 2 2 基于自适应滤波死区补偿的异步电动机矢量控制系统m a t l a b 程序5 4 4 3 仿真及其结果分析5 9 4 4 本章小结6 2 结论6 3 参考文献：6 5 蜀c 谢6 5 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 一7 0 附录b ( 攻读学位期间参加的科研项目) 7 1 v i 硕。f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 在用电系统中，异步电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、 国防、科技及社会生活等各方面。根据相关统计，电动机负荷占总发电量的6 0 7 0 【l 】，成为用电量最多的电气设备。随着智能电网和智能能源网的普及，大电 网和分布式电源等的使用越来越广泛，对交流异步电动机控制技术的要求也越来 越高。特别是电力电子器件的飞速发展和迅速更新换代促进了变流技术的迅速发 展和交流装置的现代化。7 0 年代，诞生了脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i n ，p w m ) 技术【2 】，9 0 年代，g t o 、g t r 和d s p 都已相继投入使用。i g b t 的问世和g t o 向大功率方向的发展催生了矢量变换控制技术，为现代交流调速系统高性能化奠 定了基础【3 1 。 众所周知，在矢量控制系统中逆变器的作用非常重要，在直流交流电功率变 换的过程中起着至关重要的作用【5 l 。可以说，矢量控制技术离不开逆变器。逆变 器输入的是直流电，输出的是交流电，它一般由电容、电感、i g b t 、二极管等非 线性器件组成r 7 1 。然而由这些非线性器件构成的逆变器工作具有非线性特性，使 得其输出电压和电流产生畸变，谐波含量比较高，引起转矩脉动，从而降低了电 动机矢量控制系统的性能。因此，研究逆变器的非线性因素对矢量控制的影响具 有很好的经济效益和应用前景。科技发展到今天，死区补偿这一研究已不只是停 留在理论研究的阶层，已经被应用在广大的科研工作中和实际生活中，风力发电 厂【8 】8 、比例泵车【9 1 、交流伺服系统1 们、数字化u p s 1 1 1 、电动汽车【1 2 1 等领域都进行 了这一方面的研发，通过死区补偿取得了可观的经济效益，特别是在变频领域【l 引， 死区效应对变频器的影响已经越来越引起人们的重视，一些企业和工厂已经将部 分研究成果应用到变频产品中。 p w m 技术已受到广大研究者和用户的青睐，逆变器的p w m 技术更是耳熟能 详。异步电动机的变频调速系统都离不开这个关键性的部分。逆变器的性能指标 有谐波系数h f 、总谐波系数t h d 、畸变系数d f 、最低次谐波l o h 、逆变效率、 单位重量输出效率、可靠性、逆变器输入直流电流中交流分量的数值和脉动频率 和电磁干扰e m i 等1 1 4 1 。影响逆变器效率的的非线性因素主要有死区时间 ( d e a d t i m e ) 、开关延时、功率器件寄生电容等【3 】【1 5 】，如功率开关管固有开关时 间，。的影响，开通时间。小于关断时间o 。这些不理想因素迭加在一起对逆变 器的影响不可以忽略。寄生电容的存在影响和制约了输出电压的上升和下降速度， 基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 使其输出电压呈梯形波。随着p w m 技术的问世和电压源型脉宽调制技术 ( s v p w m ) 的发展，逆变器的死区效应越来越不可忽视。在三相桥式逆变器的 结构中，逆变器三个桥臂上的六个功率开关管两两之间容易产生直通，死区时间 是为了避免逆变器的同一桥臂的两个功率器件同时导通而加入的一段驱动时间滞 后，但是死区时间的加入对逆变器的输出电压和输出电流产生了很大的影响，对 矢量控制系统的控制性能也有很大的影响【l6 1 。尽管死区时间很短，其死区效应是 不容忽视的，当开关频率很高或者输出电压很低时，死区时间的存在将使得输出 电压具有很大的谐波分量，使电机的转矩发生很大的脉动，严重影响了矢量控制 系统的稳定性和准确性，特别是随着现代电力电子设备的高频化发展，死区时间 对输出电压和输出电流的影响越来越严重。况且，由于开关延时等多个非线性因 素的影响，死区时间亦不是严格规则的，因此不论是在y 型连接还是型连接， 死区时间内总是存在偶次谐波的，只是y 型连接时偶次谐波含量比较低，型连 接偶次谐波含量比较高。过去，在使用逆变器时，我们经常用参考电压来代替输 出电压【1 7 】，但是为了提高控制系统的精确度和效率，不能忽略死区时间存在的影 响，只有对输出电压和输出电流进行补偿后，谐波滤除到系统能接受的程度，才 能用参考电压来代替输出电压。因此，死区补偿是在这种背景下产生的，成了广 大学者研究的一个重要课题【1 8 】【2 0 】【2 1 1 。 1 2 矢量控制系统中死区效应补偿的研究现状 为了进一步提高电动机矢量控制系统的控制性能，人们越来越重视死区时间 对控制效率的影响。死区补偿的指导思想大致可从两点来确定【3 4 1 ，第一是从矢量 控制系统的供电电源考虑，目标是控制逆变器的输出波形，使其成为可以按照用 户需求调节频率和电压值的三相正弦波电源；第二是从异步电动机本身来考虑， 目标是让电机产生一个较理想的励磁磁场，然后将输出电流矢量和输出电压偏差 矢量变换到同步旋转坐标系下进行补偿，消除滞后影响。但不论是硬件还是软件 在实现的时候都比较繁琐；其次亦可从削弱和抑制谐波的角度来考虑，特别在低 频率时，谐波分量较高，计算特定的p w m 波，然后作相应地补偿。 国内外很多学者对死区补偿这一问题做了大量的研究【3 4 儿35 1 ，补偿方法的分类 有很多种，依据也各不一样。首先，按补偿器件来分，可分为两种【4 0 j ：一是硬件 补偿法，这种方法是通过比较输出实际电压值和参考电压值得到需要补偿的偏差 信号。二是软件补偿法，选用特定的控制芯片，将事先编辑好的控制程序灌输到 控制器中，来实现对死区效应的补偿，这种方法具有软件集中性，适应性强。其 次，按补偿对象来分，可分为 4 h ：一是基于时间补偿方法，这种补偿方法的原理 是精确的测量出电流的极性，结合死区时间，对逆变器功率开关管的驱动脉冲进 行控制，将死区时间进行补偿，这种方法依赖于电流的极性：二是反馈型补偿， 2 硕士学位论文 针对逆变器输出的偏差量进行电压和电流的反馈补偿，电流的反馈补偿同样依赖 电流的极性，有可能产生零电流钳位现象，导致误补偿；电压型补偿在硬件上极 大可能会产生滞后性，而且硬件比较复杂。另外，还有基于自适应模糊逻辑的死 区补偿法、改变开关频率补偿死区补偿法、基于神经网络的死区补偿法等，总结 所有的死区补偿方法，可绘制出图1 1 所示的分类图。 按补偿器j 软件补偿 件类型分l 硬件补偿 按补偿 对象分 电压反馈 型补偿法 电流反馈 型补偿法 ，设置电流环法 j 电压l - t ；较法 l 基于脉冲修i t _ 的补偿方法 芝纂：鬟 图1 1 死区补偿方法分类图 纵观以往所有的补偿方法，典型的有基于脉冲的时间补偿方法和基于平均误 差的电压补偿方法【4 3 1 ，也是我们常用的方法。 1 、基于脉冲的时间补偿方法 通常所说的基于脉冲的时间补偿方法是针对驱动电路从驱动脉冲信号着手， 准确检测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。前人所研究的两种死区时间补偿方法大致可分为以下两类： 一种是根据电流极性和补偿时间乃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，确保输出电压幅值与给定参考值之间无偏 差。此方法能比较精确的补偿由于死区时间引起的死区效应，但它要求硬件采样 电路在一个p w m 载波周期内采样2 次，对硬件的控制芯片的要求比较高。另一 种是给每个功率开关管设置两路不同的驱动信号，依据电流的正负极性来选择驱 动信号，完成补偿，但这种方法增加了硬件的复杂度和控制芯片的负荷。在后来 的研究中，研究者们依据s v p w m 的特点和电压空间矢量图对死区时间补偿算法 3 厂，弋l 法 法 偿 偿 补 补 问 压 时 。电 厂j1l 法偿 法 补 偿 区 补 死 区 法 的 死 区 辑 的 死 法 逻 析 偿 制糊分补法调模络率偿量应网频补矢适经关耦压 自 神 开 解 电于于变区区 基基改死死 厂， o 时：下桥臂管子幺导通，上桥臂管子q 关断；死区时间乙内，电 流通过下桥臂续流二极管n 续流，经过导通时间乙的延迟，电流开始流过上桥臂 g ，结果导致在k + 乙时间内输出电压出现偏差。上桥臂管子q 关断，下桥臂 管子q 导通：经过的时间延迟，流过上桥臂管子q 的电流开始流过下方续流 二极管口，结果在t o g 内逆变电路的输出电压和参考电压之间出现偏差，这个偏 差一般很小，实际中可以忽略。 ( 2 ) 乞 o 时：下桥臂管子q 4 关断，上桥臂管子q 导通；经过关断时间延时， 乞 啦m 能w = 可觋r 基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 流过下桥臂管子q 4 的电流开始流向上桥臂二极管，结果在t o ：时间内，逆变器输 出电压和参考电压出现偏差，这种误差电压很小，实际中可以忽略。上桥臂管子q 关断，下桥臂管子q 4 导通。在死区内，电流继续流过上桥臂的续流二极管， 经过导通时间乙的延时后，电流开始流过下桥臂管子q 4 ，其结果是逆变器在 + 乙区间内出现输出电压偏差。 刍 0 时，所有正脉冲宽度都 减小了，而所有负脉冲的宽度都增加了；电流 0 y 赴 乞 0卜乙一卜_ 乞 0 z 二 丁一 l 2 1 2 o 图2 5 门极信号和输出电压信号图 2 2 1 死区对输出电压输出电流的影响 根据图2 5 可以更进一步的绘制a 相电路在理想状况下的基波电压波形、 电流波形t 以及由于死区引起的方波误差电压配捌三者之间的相位关系，电压和 电流的频率相同【3 4 1 ，见图2 6 。 图2 6a 相输出基波电压电流以及死区电压波形 1 3 基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 根据图2 6 可知，死区电压配跏的波形极性总是与电流乙的极性相反，为了 对死区电压进行定量分析，进行如下假设【l8 】： ( 1 ) 忽略开关管的反向存储时间； ( 2 ) 逆变器的电流输出波形接近正弦波； ( 3 ) 死区误差电压亿捌波形呈等间距分布； ( 4 ) 载波比足够大； ( 5 ) 不考虑脉冲重叠的影响。 根据以上假定，根据正负半周面积相等的原则【3 4 1 ，将饥跏等效成一个矩形 波，周期与负载电流的一致，其正负极性在负载电流的过零点处进行切换，死区 时间、直流侧电压幅值和载波频率厶共同决定误差电压够矧的幅值大 小。假设厂为逆变器输出电压的频率。在2 的时间内，u 吲等效输出的脉冲 个数刀口为： 刀口= 2 l f ( 2 7 ) 根据冲量等效原理，有： h x 万1 = 孚孕 ( 2 8 ) 所以，眈捌的矩形波幅值为： h = z ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可知，当为某一已知值时，误差电压眈跏等效后的矩形波脉 冲幅值高度与载波频率厶和死区时间的乘积成正比。 理想的p w m 波的基波及死区误差电压蚝删的表达式分别为： = 4 s i n w t f 4 ，o 叫 妒 ( 2 1 0 ) 砧捌= 一4 ，m r + l i a w t + 1 ) 丌+ 妒 1 4 ，( 一+ 1 ) 7 r + 妒 w t 0 时a 相电路开关动作过程b ) 乙 0 和乞。 0 时，在d i 导通皿关闭期间，电流t 流过4 ，= ，c 4 充电；在死区时间内，d l 和d 4 都关断，寄生电容c 4 放 电，= ，否则= 0 。因此，寄生电容c 4 的充放电相当于延长了电压的下降 时间，况且相电流越小g 的放电时间越长，睨= 0 的时间越短。 图2 1 0b ) 为a 相电流 0 时逆变器输出电压变化过程，在见关断和死区 时间内，电流流乙经上桥臂二极管q ，逆变器输出电压= ；在d l 关断q 1 8 硕十学位论文 导通期间，d 4 续流，a 相输出电压变化瞬时值为= 0 。因此，t 一z - 一l x z - t 一 全通输出 图3 2g r a y - m a r k e l 格型滤波器 基于自适应滤波死区补偿的交流电机矢量控制系统的研究 格型滤波器，由于它对有限字长的舍入误差不灵敏而得到广泛的应用。在抑 制窄带干扰中，基于全通的g r a y m a r k e l 型滤波器的通用传输函数为： 彳栌半高糯 ， - 该滤波器在实现时乘法器能截断产生比直接型结构低的量化噪声，也就是说， 极点能放在距离单位圆更近的位置，即1 一q 。 在该滤波器实现中，由于在量化极点时用2 ( 1 l + c o 来近似代替q ，会产生稍 许的不对称，这时候格型滤波器提供了近似的直接型滤波器传输函数，当a 大于 0 9 5 时，它能很好的接近于直接型的传输函数。对于要求单位增益的滤波器来说， 还需要用来矫正。g r a y - m a r k e l 滤波器能很好应用在抑制窄带干扰中，当 l j 十qj q l 时，在不影响系统稳定性的情况下，它具有比价低的响应时间和较小的失真 相位。 3 1 1 自适应格型滤波器的梯度算法分析 本研究中g r a y m a r k e l 滤波器采用梯度算法，下面详细分析自适应格型滤波 器的梯度算法【3 8 】【5 0 1 。 ， 设有一串数据x ( o ) ，x ( 1 ) ，x ( n m ) ，x ( n 一1 ) ，x ( n ) ，。这串数据 可以看成是某一随机信号x ( r ) 在r = ，0 ，丁，n t ，的采样值。其中t 为采样周期。 根据前向线性预测的方法进行推算，则传递函数式( 3 1 ) 可变形为： 联( z ) = 4 ( z ) = 群( z ) x ( z ) - - 1 + 。z 。 ( 3 2 ) k = l 式中( z ) 为前向线性误差( 刀) 的z 变换，x ( z ) 为输入x ( 刀) 的z 变换。 同样，利用后向线性预测的方法进行推算，可得到式( 3 3 ) 所示的后向线性滤波 器函数： 域( z ) = 呜( z ) = 或( z ) x ( z ) = z - m ( 1j r - ，) ( 3 3 ) 式中或( z ) 为后向线性误差( 万) 的z 变换。由式( 3 2 ) 可得： 。吆。( z ) = 1 + 卅z 。 ( 3 4 ) 利用求解最佳线性预测的递推方法【4 7 1 ，可得： 硕士学位论文 砭l ( z ) = 1 + a k + 1 m + l z 一埘+ 1 + ( a + 如+ l a m ，肼+ l 。) z 糊 ( 3 5 ) m七 = ( 1 + z 4 ) + k + 。( z 却删+ 口辨辨+ l 。z 。) 七兰lk m l 式中疋，以+ 。为预测系数。 根据式( 3 3 ) ，并设= k ，式( 3 5 ) 可以写成： 以+ l ( z ) = 础( z ) + k m + l z 一或( z ) ( 3 6 a ) 同理可推出： 成+ l ( z ) = g - ! 娥b ( z ) + k + l 联( z ) ( 3 6 b ) 根据传输函数以( z ) 、磷( z ) 的定义，由式( 3 6 ) 可得： 砭l ( z ) = ( z ) + 如+ i z - 1 或( z ) ( 3 7 a ) 或+ 。( z ) = z - i 或( z ) + 如+ 。群( z ) ( 3 7 b ) 相应的时域递推公式为： f + l ( ，z ) = ( 甩) + k + l p ：仰一1 ) ( 3 8 a ) + l ( z ) = p ：( 刀一1 ) + 吒+ l ( 刀) ( 3 8 b ) 采用递推算法计算如可以减少运算量，而且适合于非平稳的情况。最佳的如 应使e 【( 厅) 】2 + 【蠢( 以) 】2 最小。l m s 算法的递推公式为： u ( 刀+ 1 ) = u ( 刀) 一p v b 【p 2 ( 玎) 】 ( 3 9 ) 我们可以建立如下的格形滤波器反射系数的递推公式： k ( 以+ 1 ) = k ( 职)