正弦和空间矢量pwm逆变器死区效应分析与补偿

1、第 26 卷 第 12 期2006 年 6 月中国 电 机 工 程 学 报Proceedings of the CSEEVol.26 No.12 Jun. 2006©2006 Chin.Soc for Elec.Eng.学科号：470×40文章编号：0258-8013 (2006) 12-0101-05号：TM301文献标识码：A正弦和空间矢量逆变器死区效应分析与补偿吴(浙江大学电气，汤新舟，浙江省 杭州市 310027)Dead-time Effects Analysis and Compensation of Sand SVInverterWU Mao-gang，ZHA

2、O Rong-xiang，TANG Xin-zhou(College of Electrical Engineering，Hangzhou 310027，province，)ABSTRACT ： Error voltage vectors caused by dead-time0引言effects ofinverter were given, the vector synthesismethod was adapted to educe amplitude and phase formulas of synthesized voltage vector produced by 3-phase

3、stator windings under dead-time effects, the characteristic of synthesized voltage vector was analyzed with simulations. In order to make practical conduct time equal to ideal given time of switching devices, a dead-time compensation method based on time wasproposed, simple arithmetic was obtained w

4、ith the characteristic电压源型逆变器(VSI)广泛应用于交流电机调速系统中，数字信号处理器(DSP)以其高指令运算速度和的发生电路为的数字运算、逆变器触发信号产生提供了物质基础。正弦和空间矢量制交流电(S和 SV)技术在矢量控频领域占据了主导地位，前者的调制of space vector(SV). A dead-time compensation波、逆变器输出电压和电机定子磁通都是正弦，后者以调制波马鞍形、三次谐波注入和电机定子磁通正弦为特征1。在实际应用中，开关器件固有method based on voltage was proposed also to elimin

5、ate errorvoltage vector, compensation formulas were calculated in 3-phase and 2-phase static reference frame respectively时间的，使器件开通时间小于关断时间，容易corresponding to Sand SV. Experimental results发生同相桥臂互补开通的两只开关管的短路故障， 为避免这种现象，通常将开通信号延迟一个死区时间后发出。开关器件的开通、关断时间和死区设置使开关器件实际输出电压波形与理想给定电压波形show that the proposed m

6、ethod can make motor phase current waveform sinusoidal, and improved the output performance ofthe inverter.KEY WORDS：power electronics; dead-time effects；errorvoltage vector；time compensation；voltage compensation相比产生了非线性畸变，了电机电流波形畸变和转矩脉动等死区效应2-4，尤其是速性能。逆变器的死区效应受到普遍关注，有关死区补偿的研究也在广泛展开5-12，文献13给出了死区效应引

7、起的逆变器单相输出平均误差电压的计算式，并采用每相输出参考电压加误差电压的做补偿。文献14指出死区效应可以用一个误差电压矢量来描述，其极性与三相电流极性有关。对于误差电压矢量的幅值计算以及其与三相电流极性的电机的低摘要：给出了采用矢量逆变器死区效应引起的误差电压矢量，推导了死区效应作用下电机绕组产生的的电压矢量的幅值和计算公式，结合分析了合成电压矢量的特征。为保证开关管实际开通时间与理想给定开通时间相等，提出了死区的时间补偿，结合 SV的特点，得到了简化算式。从消除误差电压矢量着手，提出了死区的电压补偿，根据 S和SV调制不同，分别计算出在定子三相静止坐标系和两相静止坐标系内做死区电压补偿的算

8、式。实验结果表明，所提出的补偿方法能使电机相电流波形正弦化，提高了逆变器输出性能。对应，已经有过分析，本文侧重于分析该误差电压矢量引起的负载电压波形畸变，对于 S和SV法。逆变器，提出了时间补偿和电压补偿的方：电力电压补偿；死区效应；误差电压矢量；时间补偿；PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建102中国电机工 程 学 报第 26 卷1死区效应分析为UsynUsUi以 abc 三相电流极性正负负为例，推导(2)电1.1死区效应引起的误差电压矢量三相逆变器电动机系统如图 1 所示。压矢量的幅值和计算公式，在该极性扇区内电就单相逆变器输出电压而言，死区

9、效应产生的是一系列畸变脉冲，脉冲极性与相电流极性相关，运用流矢量的角度范围是330°，360°和0，30°。给定电压矢量超前电流矢量以功率因数角该脉冲列等效为 180°导电压平均值等效j，即电压矢量的角度范围是330°+j，360°和0， 30°+j，以q 表示给定电压矢量与 a 轴的夹角，电压矢量 图如图 3 所示。图 3(a)为q在330°+j， 360°角度范围内，此时，Us 与误差矢量 U4 相作用，两者夹角的补角为通型的方波。由于三相电流互差 120°电角度，这样就在电机绕组中形成了

10、6 个误差电压矢量，如图 2 所示。采用恒相幅值变换时，误差电压矢量的幅值为 4UdcTer / 3T ，其中，Udc 为直流母线电压、T 为载波周期，误差时间 Ter 为g 360°-q由三角形边角的余弦定理得量 Usyn 的幅值为(3)电压矢Ter=Td+TonToff(1)式中 Td 为死区时间；Ton 为开关器件开通时间；Toff为开关器件关断时间。22× DU=+ DU- 2 Ucos gUU(4)syns4s4S+ScSab由正弦定理得 U滞后 U 的角为Udc/2synsa_Obc_Sbd = arcsin( DU× sin g / U_Sc)(5)

11、SaUdc/24syn则 Usyn角度为iaicibq= q - d(6)synn当q在0，30°j角度范围内时，Usyn 的幅值、图 1 三相Fig. 1 Three-phase逆变器电动机inverter-motor差d的计算公式与式(4)、(5)相同，不同与 Us 的的是 U时的角变成了超前于 U ，如 3(b)所示，此synsbDU5DU1角为qsyn = q + d由滞后变为超前的分界线是q =0(7)DU4aDU3Usyn(8)此时，Usyn 幅值最小，为DU2DU6图 2 误差电压矢量Fig. 2 Error voltage vectors= Us- DU 4Usyn(

12、9)，在其它的电流极性扇区内，有相同的分析误差电压矢量的三相电流极性决定，定可以得出，Usyn 幅值变化以及与 Us 的有重复性。差变化具义电流以流入电机绕组为正，在图中该矢量与电流极性的对应为：按 abc 相序，相电流极性为正bb用数字 1 表示，极性为负用数字 0 表示，组的UsUsyn数值即为对应的误差电压矢量。比如，误差矢量DU4 对应的 ia、ib、ic 极性为正、负、负，二进制数表示为 100，即十进制数 4。1.2死区效应产生的负载电压畸变gdDU4aDU4qaqdgUsUsyn(a) q 在330 +f, 360 (b) q 在0, 30 +f理想 S和 SV逆变器供电的电机绕

13、图 3 电流极性正负负时电压矢量图组相电压都为正弦波，采用恒相幅值变换时，三相的电压空间矢量 Us 幅值等于相电压峰值，且以相电压角频率做同步旋转。在误差电压矢量DUi(iFig. 3 Synthesized voltage vector under certain current polarity (+-)1.3负载电压畸变Ter=4s、Udc=500V、T=125s，计算得误为 16 的整数)的作用下，实际电压矢量UsynPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建第 12 期吴等： 正弦和空间矢量逆变器死区效应分析与补偿103差电压矢量幅值|DU|

14、 =21V，定电压矢量幅值|Ds| =100V、并理想给定时间长度相一致的目的，逆变器输施加到电机上的给出电压值与给定值相等。同理可分析当 ia<0 时，补电流矢量滞偿是将上管的理想开通时间缩短 Ter。在一个调后给定电压矢量的功率因数角j=15°，得到仿真波形如图 4 所示。制周期内，以 taon 表示 a 相上桥臂开关管信号触发t'导通时刻，补偿后的触发导通时间表示为，若u /Vaonu/V 88b100ia>0，则5086t '= t- T /2 (10)aonaoner0-508482若 ia<0，则t '= t+ T /2 (11)

15、80-100aonaoner-1000100 ua/V00 02矢量幅值0 04 t/s其中，taon 为原来理想的触通时刻；b、c 相的补偿(a) 电压矢量轨迹(b)与 a 相相同。该从触发信号着手，通过时q/rad 6u/V50间补偿使开关管实际开通时间等于理想给定时间，4可使用于 SSV和 SV逆变器的死区补偿。0综合三相而采用矢量的方2-50法。补偿中，通过零矢量 U0 和 U7 的分配，可得到更为简化的算法。以 abc 电流极性正负负、电压矢-100000 020 04 t/s(c) 电压矢量图00 020 04 t/s(d) a 相负载电压波形波形图图 4 死区效应量的第 3 扇区

16、为例分析，如图 6 所示。点划线Fig. 4 The simulation of dead-time effects图 4(a)为电压矢量轨迹，外圆是理想给定电压划分出原来各理想电压矢量的作用区间，按照上述补偿，是将S+ 高电平延长 Ter 时间，将S+ 、S+abc矢量轨迹，内部畸变的圆为电压矢量轨迹；图缩短 Ter 时间。综合三相得：矢量 U4 作用时间比理想给定时间增加了2Ter、矢量U6作用时间没有变化，零矢量作用时间减少了 2Ter。若保持 bc 相理想触发4(b)为一个周期内电压矢量的幅值，该幅值小于给定电压矢量幅值 100，且脉动；图 4(c)为电压矢量的，直线表示理想给定电压矢

17、量角，信号不变，而将S+ 高电平延长 2Ter 时间，则具有相a同的矢量分配效果，且简化了算法，此时呈齿状的为超前和滞电压矢量角，两者随时间具有；图 4(d)为 a 相负载电压波形，余S+*弦曲线为理想负载电压波形，畸变的为实际电压波形。比较可见，死区效应引起了电压矢量的幅值和畸变。a(a)S-*aTTd(b)dS+2S和 SV逆变器死区补偿a(c)TonToffS-2.1时间补偿法以 a 相桥臂为例分析，图 5 为一个载波周期内理想触发信号和开关管实际开通情况的波形图。图5(a)、(b)为上下桥臂理想触发信号，图 5 (c)、(d)为实际的开通关断图，其中阴影部分是两个管子都不导通的状态，此

18、时，桥臂的输出电压由续流二极管决定。当 ia>0 时，下桥臂二极管导通，相当于下桥臂开关管导通，则阴影部分图 5 (c)为低电平、图 5 (d) 为高电平，就上管来说，实际开通时间比理想开通时间缩短了 Ter，而下管的实际开通时间则延长了Ter，那么，需要做的时间补偿是将上管的理想开通时间延长 Ter，由信号的互补性，下管的开通时间就被缩短了 Ter，这样就达到了开关管实际开通时间与a(d)T图 5 理想信号和实际开通情况Ideal signal and real trigger situationFig. 5+Sa+SbS+cT0/2T4/2 T6/2T7/2T7/2T6/2T4/2T

19、0/2U0U4U6U7U7U6U4U0图 6第三扇区时间补偿前后触发信号图Fig. 6 Trigger signal before and after compensation at the third sectorPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建104中 国 电 机工 程 学 报第 26 卷ta¢on = taon - Ter(12)电压，与增长 U4 以 2Ter 时间一致。在 abc 电流极性正负负下，分析其它电压矢量扇区的时间补偿，有相同的结果，再分析其它电流极性扇区，得到最终的补偿如表 1 所示。3实验结果将补偿应用到永磁

20、同步电机(PMSM)矢量系统中，主器采用了 TI 公司数字信号处理表 1 SV时间补偿法TMS320F240 ， 逆变器采用智能功率模块 器 Tab. 1 Time compensation of SV电流极性补偿t¢aon= taon-TerPM75RSE120。PMSM 参数为：额定功率 P=7.5kW， 极对数 P=3，额定电压 380V，额定电流 17A。SVPMW 逆变器死区时间设置为 5ms，调制频率为8kHz。在低速轻载下进行了实验对比和验证， 图7(a)、(b)是转速为 5r/min 时补偿前后电机相电流波形，图 7 (c)、(d)为转速 20r/min 时补偿前后相

21、电流波形，比较可见，补偿前电流波形有明显的畸变，+ -+ +- +- +- -+t¢con= tcon+Ter t¢bon= tbon-Ter t¢aon= taon+Tert¢con= tcon-Ter + - +t¢bon= tbon+Ter2.2电压补偿法电压补偿是根据电流极性产生一个与误差电压矢量大小相等而方向相反的矢量，以抵消死区效com应。以 Ui表示补偿矢量，则会产生定子磁链轨迹畸变，并转矩脉动，补偿comUi-DUi将其分别向a、b 轴投影，得到分量(13)后的电流波形趋于正弦，这有利于产生圆形磁链轨迹和平稳转矩。com 和ua

22、ucom ，例如 U com 的两个分量为b4ip/Aip/Aucom = 4U T / 3T(14)(15)adc er= 0ucomb同样，可计算出其它补偿矢量的分量，SV是在a、b 轴系内计算矢量的作用时间和开关管开通时刻，电压补偿亦在a、b 轴系内完成，补偿后的电压矢量分量为1s/格t/s1s/格t/s(a) 转速为 5r/min 时补偿前相电流 (b) 转速为 5r/min 时补偿后相电流ip/Aip/Aua¢ u¢b+ ucom= ua= ub(16)(17)是在定子三相静止轴a+ ucomb与 SV不同，S250ms/格t/s250ms/格t/s(c) 转速为

23、 20r/min 时补偿前相电流 (d) 转速为 20r/min 时补偿后相电流图 7 不同转速补偿前后相电流波形Fig. 7 Phase current waveform before and after compensation at different motor speed系内运算逆变器的输出电压，对于三相星形连接的对称负载，逆变器输出相电压即是负载相电压，对逆变器输出电压补偿就是对负载电压补偿。采用Clarke 反变换，得到三相补偿分量为4结论ucom = ucom(18)(19)(20)acom -com +a= -(u（1）给出了逆变器死区效应引起的误差u comcom ) /2

24、 com ) /2 3uabb电压矢量，推导了死区效应作用下电机绕组压矢量的幅值和计算公式。电u com = -(u3uabc补偿后的三相电压分量为（2）提出了 S间补偿和电压补偿的和 SV逆变器死区时u 'u u com(21)(22)(23)，并根据 SV的特点实现。和特aaa'comububub简化了时间补偿算法，这两种都易于u 'ucu com（3）和实验揭示了死区效应的cc时间补偿和电压补偿具有一致性，对于来说，增大或减小脉宽就是增大或减小逆变器输出征，实验结果表明所提出的正确、有效，该方法对于 S和 SV逆变器的死区补偿具有较强的实用价值。电压，比如在 SV

25、中，增大 ua一个4UdcTer / 3TPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建1.67A/格1.67A/格1.67A/格1.67A/格第 12 期吴等： 正弦和空间矢量逆变器死区效应分析与补偿105参考文献9 Hyun-Soo Kim，Hyung-Tae Moon，Myung-Joong Youn On-line dead-time compensation method using disturbance observerJIEEE Trans on Power Electronics，2003，18(6)：1336-134510 Hyun-S

26、oo Kim，Kyeong-Hwa Kim，Myung-Joong YounOn-line dead-time compensation method based on time delay controlJIEEE Trans on Control System，2003，11(2)：279-28511 Jong-Lick LinA new approach of dead-time compensation forvoltage invertersJIEEE Trans on Circuits and Systems，2002，49(4)： 476-4831杨，孙力空间矢量脉宽调制的研究J

27、电机工程学报，2001，21(10)：79-83Yang Guijie，Sun LiStudy on method of the space vector JProceedings of the CSEE，2001，21(10)：79-83(in)2Ben-Brahim LOn the compensation of dead time and zero-currentcrossing for a-inverter-controlled AC servo driveJIEEE Transon Industrial Electronics，2004，51(5)：1113-1118Seung Gi

28、 Jeong，Min-Ho ParkThe analysis and compensation of312，钟彦儒一种新颖的同时考虑中点电位平衡和窄脉冲消除及dead-time effects ininvertersJ IEEE Trans on Industrial死区补偿的三电平空间电压矢量脉宽调制报，2005，25(6)：60-66J电机工程学Electronics，1991，38(2)：108-1144孙，钟彦儒一种新颖的死区补偿时间测量J电机Jin Shun ， Zhong Yanru A novel three-level svalgorithm工程学报，2003，23(2)：103-107Sun Xiangdong ， Zhong Yanru A novel measuring method for dead-time compensationJProceedings of the CSEE，2003，23(2)：considering neutral-point control and narrow-pulse elimination anddead-time compensationJProceedings of the CSEE，2005，25(6)：60-66(in)103-107(in)13 Ben-Br