永磁同步電機逆變器死區補償技術

現今工業伺服驅動中多采用驅動永磁同步電動機(pmsm)的交流伺服系統，其交流驅動單元使用三相全橋電壓型逆變器。pwm調制的變頻控制技術實現了對交流電機動態轉矩的實時控制，大大提高了伺服系統的控制性能。

然而，對于pwm逆變器，在驅動功率管的開關信號中插入延時時間以防止直流母線直接短路，延時時間的引入將導致死區時間效應，引起逆變器輸出波形的畸變和基波電壓的降落，影響了伺服系統性能的進一步提高[1]。

逆變器死區補償方法綜述

為補償td引起的電壓波動，研究人員提出了各種補償方法，大致可劃分為三類。

最普遍的方法是在電流極性相同的區間內，根據缺少的脈沖列相應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行二倍的電壓過補償，使三相電壓死區影響相互抵消，線電壓波形為正弦形[1]。文獻[2]詳細分析了死區產生的原因和影響，并根據模擬調制和數字調制分別給出了死區的硬件電路補償方法。文獻[3]根據全橋電路的開關狀態，提出了一種帶死區補償的逆變器數學模型，該模型的特點是由簡單的滯環結構組成，根據此模型可由一計算公式實現死區補償。

第二類方法是根據無效器件原理實現死區補償的。在任意時刻，逆變器每一橋臂兩個功率器件中只有一個是有效的。當上橋臂器件關斷時，不論下橋臂器件是否導通，輸出電壓都是直流母線的負端電壓，此時稱下橋臂器件是“無效”的。死區補償的辦法是，維持有效器件的驅動信號不變，改變無效器件的驅動信號使之滿足設置死區的要求。既然“無效”器件的通、斷并不影響輸出電壓狀態，那么也就不需要驅動信號了，只給有效器件發出驅動信號就可以了，這樣也就不需要加入死區，也就沒有什么死區補償的問題了。但該方法在電流過零點處會由于誤差導致畸變，因此使用這個方法時要注意電流過零區域的處理。一些學者進一步提出了改進方法。文獻[4]在電流過零點加一滯環，在滯環時間內使用正常的開關死區保護，可減小畸變。由于電流采樣中的干擾和電流變化的復雜性，文獻[5]在電流過零點附近的區域應給出兩路驅動信號并加入死區及死區補償。利用pwm關斷時刻實現換流時的開關死區保護，可消除開關死區的影響。

第三類方法是電流預測控制。建立較為準確的電機系統模型，分析電流波形的畸變量，通過電流的預測控制來實現電流波形的校正。文獻[6]提出了預測電流控制的死區問題，通過估計反電勢補償電壓波形畸變和電流零點鉗位現象。文獻[7]建立異步電機模型的矩陣方程，根據對svpwm算法里定子相電流的預測，補償其空間電壓矢量。文獻[8]利用d-q旋轉坐標系下的pmsm模型設計觀測器，觀測q軸損失的電壓，通過公式折算成需補償的死區時間tc，實現死區的在線補償。文獻[9]時間延遲控制來估計死區導致的干擾電壓，并將其反饋到電壓參考給定上以補償死區影響。電流預測方法計算繁瑣，且補償效果與電機模型的精度和時變的參數值直接相關，不易得到滿意的效果。

逆變器死區的影響

由pwm死區時間產生的基本原理可知[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生變化，而且隨著載波頻率的提高，誤差電壓脈沖出現的次數也隨之提高，雖然死區時間很短，只有幾個微秒，但是誤差電壓在一個周期之內累積起來，也會對輸出電壓的基波幅值產生較大的影響。誤差電壓與理想電壓、實際輸出電壓的定性關系如圖2所示。

對圖2中的偏差方波進行傅立葉分析得到：

其中，ω1電流基波角頻率;ψ期望電壓與電機電流之間的相位差。

因此，在忽略功率開關引起的高頻噪聲的情況下，逆變器的輸出電壓為：

其中，ma調制度，為調制正弦波幅值與三角波載波幅值的比值。

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

開關死區造成逆變器輸出電壓波形發生畸變，導致輸出電流波形波形畸變，即電流的交越失真。

·死區時間越長，逆變器輸出基波電壓損失越大，電壓波形畸變程度越大;負載基波電流幅值下降越多，電流波形畸變也越嚴重。

·對于確定的死區時間，負載功率因數變小時，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。

·當輸出電壓較低時，空間電壓矢量幅值很小，三路橋臂相對導通時間變短，死區時間的影響變大。

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

基于位置的動態死區補償方法

各種死區補償方法的一個共同特點是根據電流波形補償電壓信號。因此需要檢測實際電流值，判斷各相電流正負，以其過零點作為補償電壓信號的切換時刻。電流檢測環節由電流傳感器、低通濾波器和a/d轉換組成，為減小噪聲程序中還需加數字濾波。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。因此利用實際檢測到的電流信號很難精確補償死區影響，甚至會由于過零點附近的錯誤補償造成更大的電流畸變。

現今pmsm的轉矩控制多是通過矢量控制實現的，為準確控制電機電流，其電流環響應頻率很高，可達到1khz以上，實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中，為實現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。由于電流矢量和轉子位置相關，如果用位置信號判斷電流正負，施加電壓死區補償信號，補償的精度可以比實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子磁極成90°(電角度)，并與轉子同步旋轉。轉子磁極的位置可通過高分辨率的編碼器確定，經過轉子磁場定向控制，電流按時間變化的電角度和磁極空間變化的空間旋轉角度重合，進而可得到電流矢量的空間位置。根據電流矢量的空間位置，可以判斷出各相電流的過零點。

磁極的位置角度與電流的相位關系固定，經過分析，我們按如下的位置變化規律進行電壓補償：

·當角度0《θ《π時，ia》0，a相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

·當角度2π/3《θ《5π/3時， ib》0，b相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

·當角度-2π/3《θ《π/3時， ic》0，c相補償正向電壓;反之補償反向電壓。

補償電壓的幅值計算公式為：

其中factor為調整系數，一般取為0.7。

圖4和圖5為沒有加死區補償和加死區補償的實驗結果比較。由電流波形可以看出，無死區補償的電流在過零點處產生畸變，

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

逆變器的開關死區效應對交流伺服系統的性能具有較大的影響，因此對開關死區進行校正補償是必要的。本文在分析了各種死區補償方法的基礎上，提出了一種基于位置檢測信號的動態補償方法。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，實驗證明具有較好的補償效果。