基于TMS320F240的死区效应补偿技术

第25卷第3期中国电机工程学报V ol.25 No.3 Feb. 20052005年2月Proceedings of the CSEE ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013（2005）03-0013-05 中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 学科分类号：470·40一种新颖的基于空间矢量PWM的死区补偿方法胡庆波，吕征宇（浙江大学电力电子国家专业实验室，浙江省杭州市 310027）A NOVEL METHOD FOR DEAD-TIME COMPENSATION BASED ON SVPWMHU Qing-bo，LÜ Zheng-yu（National Key Laboratory of Power Electronics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China）ABSTRACT: As for a vector control system of a permanent magnet synchronous motor, this paper analyzes the influence of dead-time on output voltage in detail, and discusses the relationship between the position of output voltage vector and the direction of three-phase current in a space vector figure. In addition, a method of dividing three-phase current into six regions and a control strategy that compensates only one phase voltage in every region are proposed in the paper. The proposed scheme can acquire the direction of three-phase current judging by the position of output voltage, and it avoids the phenomenon of several zero-crossing in current sampling. At last, experiments which are uncompensated and compensated are carrier out with a TMS320F240, and the results verify this method has a good compensation effect.KEY WORDS: Power electronics; Space vector; PWM; Dead-time; Sector摘要：该文针对永磁同步电机的矢量控制系统，详细分析了空间矢量PWM中死区效应对输出电压的影响，并结合空间矢量图，讨论了输出电压矢量位置与三相电流方向的关系。

死区补偿技术清华大学电机系 缪学进1 引言微处理和电力电子技术的迅速发展，极大地促进了PWM技术的发展和应用，各种PWM 交流传动技术在工农业生产、国防和日常生活中得到了广泛的应用。

我们知道，任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。

对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输出信号是不可控制的。

三相桥式逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作于互补状态。

由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此，如果将互补的控制信号加到同一桥臂上两个开关器件的控制极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。

所以目前的逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术即将理想的PWM控制信号上升沿或下降沿延迟一段时间，在这段时间内输出信号是不可控的，这就是死区时间[1]。

死区的存在使逆变器不能完全精确复现控制信号的波形，输出电压产生幅值和相位的误差。

由于死区的作用，每一个调制周期内引起的微小畸变经积累后，必然会使逆变器的输出电流波形产生畸变，它不但会降低基波幅值，而且会产生低次谐波，直接影响电动机在低速下的运行性能。

过去为了消除死区的影响，通常采用硬件和软件相结合的解决方案，但硬件补偿方法存在着检测精度差、滞后以及实现困难等问题。

微处理器在电机控制中的应用使死区补偿变得容易，尤其是TI公司的专为电机控制设计的2000系列处理器（如TMS320F240、TMS320LF2407、TMS320F2812等）在芯片内部集成了专门的硬件电路进行死区补偿，减少了电压误差，可以获得满意的效果。

2 死区效应分析三相电压型逆变器的基本构成如图 1 所示，与电流型逆变器相比，电压型逆变器可以提高逆变器的开关频率，有利于快速控制和抑制逆变器噪声，并且输出阻抗小，适合于交流电机调速控制。

为了防止逆变器区桥臂的上下功率开关发生直通，在上下功率开关改变状态时必须插入死区时间，即先将已开通的功率管关断，插入一定的死区延时，再开通另一个处于关断状态的功率管。

基于DSP器件TMS320F2407和CAN总线实现微机保护测控装置的应用方案1引言目前，国内外的各种中低压变电站综合自动化系统产品，其系统结构都趋向于采用完全分布式，这种结构基于面向对象的思想，以变压器、断路器等设备间隔为对象，将各种保护测控功能综合在一个测控装置中，下放到现场测控对象（即设备）上安装。

因此整个系统中，关键是要设计集保护、测量、控制、通信等功能于一体的微机保护测控装置。

本文设计了一种基于TI公司的嵌入式数字信号处理器TMS320F2407的分布式微机保护测控装置，该装置就地采集电压、电流等信息量，实时完成保护、测量、控制等功能，具有抗干扰性强、高的特点。

基于DSP器件TMS320F2407和CAN总线实现微机保护测控装置的应用方案2装置整体设计一个变电站综合自动化系统中，测控装置的种类好多种，如线路、变压器、电容器等的测控装置。

因此测控装置采用标准机箱，硬件结构统一，彼此间完全通用，实现硬件的标准化、模块化，不但有利于组织规模化流水线生产，提高生产效率，同时又为调试、维护提供了很大的方便，还做到不同装置间的同一种插件可以完全互换，减少备件。

3DSP系统3.1DSP系统结构DSP系统是整个装置的部分，主要由模拟输入电路、DSP及其外围电路、开关量输入回路、开关量输出回路组成。

3.2DSP微处理选择微机保护测控装置是一个专用实时测量与控制系统，但他对微处理器速度的要求并不是越快越好。

因为保护的动作必须要在故障后一段时间内进行一定采样次数的数据采集，根据这些数据进行计算后，才能决定是否保护动作。

由于保护算法本身的要求，这个采样时间一般在几个毫秒以上，也就是说这个时间是不能靠采用高速微处理器来缩短的。

因此，在微处理器速度满足需要的前提下，尽可能选择功能全面的微处理器芯片。

TI公司的嵌入式工业级数字处理器TMS320F2407，主频40MHz，集程序存储器、数据存储器、CAN通信控制器于一体，非常适合于分散式装置，使装置的体积大大减小，抗干扰性能大大提高，可长期工作在-45～+80℃的环境。

全数字伺服系统中死区效应的补偿方法浙江大学 电力电子国家专业实验室 胡庆波 吕征宇关键词： 伺服系统、电压型逆变器、死区效应、谐波电流、DSP目前，在伺服控制系统中，通常采用三相电压型逆变器来驱动伺服电机。

桥式电路中为避免同一桥臂开关器件的直通现象, 必须插入死区时间。

死区时间和开关器件的非理想特性往往会造成输出电压、电流的畸变，从而造成电机转矩的脉动，影响系统工作性能。

因此，必须对电压型逆变器中的死区效应进行补偿。

文献[1-4]对三相逆变器的死区效应进行了补偿。

其中文献[1]采用平均值理论，计算出一个工作周期中的误差电压并直接补偿在参考电压上，文中忽略了开关器件的非理想特性，仅仅对死区时间造成的误差电压进行了补偿，该方法简单易行，但补偿精度较低;文献[2]在对死区时间和开关器件的非理想特性造成的死区效应进行补偿的同时，提出了一种补偿时间的离线测量方法。

该方法把开关器件的电气特性与其工作电流看成线性的关系，并且要求系统对电流有很好的控制特性;文献[3]针对空间矢量调制提出了只对其中一相电压进行补偿的方法，但没有考虑开关器件的导通压降，并且在整个逆变输出周期中，其补偿时间为一常数。

文献[4]提出了死区时间的一种离线测量方法，根据工作电流的范围预先测出补偿时间，然后分段进行补偿，该方法与前文几种补偿方法相比，可以通过电流的大小来调节补偿时间，但在一定的电流范围内补偿时间仍然是一常数。

对于逆变器的死区补偿，主要取决于两个方面，一是补偿时间的确定;二是负载电流方向的检测。

本文将对两者加以介绍。

综合上文提到的文献，其补偿时间在整个逆变输出周期皆为定值，但是在实际电路中，补偿时间往往会根据电路工作点的不同而变化。

另外，在直流侧电压较高的前提下，由开关器件的导通压降造成的畸变可以近似忽略，但在蓄电池作为直流侧输入时，其工作电压较低，此时由开关管导通压降带来的输出电压畸变较大，应加以考虑。

综合以上几点，本文提出一种死区时间的实时计算方法，即在一个逆变输出周期中，通过占空比的变化相应的调整补偿时间。

第六章变频系统死区效应分析及补偿6.1 死区效应原理在理想情况下，每个桥臂的上下两个开关器件严格轮流导通和关断。

但实际情况是，每个器件的通、断都需要一定的时间，尤其是关断时间比导通时间更长。

在关断过程中，如果截止的器件立即导通，必然引起桥臂短路。

为了防止这种情况发生，必须在驱动信号中引入一段死区时间T d。

在此时间内，桥臂上下开关器件都没有触发信号，该桥臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。

死区时间的引入使得逆变器主电路不能精确再现由PWM发生器所产生的理想PWM波形，影响了PWM方案的应用效果，这些影响统称为死区效应。

死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。

死区时间的设置方式有两种：（1）单边不对称设置欲关断的功率管与理想波形同时关断，欲开通的功率管延迟T d后开通。

（2）双边对称设置欲关断的功率管比理想波形提前T d/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟T d/2开通。

利用逆变器中一个桥臂来说明死区效应的产生，规定电流从逆变器流向电机为参考方向的正方向，电流从电机流向逆变器时电流为负。

当电机电流为正时，在死区时间内，上下桥臂两个功率管均不导通，由于电机为一感性负载，因此电流不会突变，那么电机电流就通过和下桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，则输出电压被钳位在-U d/2（U d位直流电源电压）；反之，当电机电流为负时，电机电流则通过和上桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，输出电压被钳位在+ U d/2。

这样，实际输出电压U与理想输出电压U*之间就存在着误差电压△U=U-U*。

这个误差电压脉冲的极性与输出电流的极性相反，当电流大于零时△U= -U d，当电流小于零时△U= U d，其宽度等于死区时间。

而且随着载波频率的提高，误差电压脉冲出现的次数也随之提高，虽然死区时间很短，单个误差电压脉冲不足以影响系统的性能，但持续考虑半个周期的情况便可得知，其累计效应足以使定子电压波形畸变。

基于TMS320F240的数字滤波器的设计［作者： 王飞，张淼，冯垛生 转贴自：现代电子技术 点击数：587 更新时间：2005-11-15【字体： A 】 摘 要：介绍了FIR 数字滤波器的原理，叙述了怎样用TMS320F240实现FIR 实时数字滤波器，并给出了程序流程。

关键词：数字滤波器；低通滤波器；冲激响应；DSP数字滤波在数字信号处理中占有重要的地位， 数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR)。

FIR 滤波器具有不含反馈环路、结构简单以及可以实现的严格线性相位等优点，因而在对相位要求比较严格的条件下，易采用FIR 数字滤波器。

同时，由于在许多场合下，需要对信号进行实时处理，因而对于单片机的性能要求也越来越高，普通的单片机例如MCS51难以满足这一要求。

由于DSP 控制器具有许多独特的结构，例如采用多组总线结构实现并行处理，独立的累加器和乘法器以及丰富的寻址方式，采用DSP 控制器就可以提高数字信号处理运算的能力，可以对数字信号做到实时处理。

本文根据FIR 数字滤波器的基本原理在TMS320F240中实现了FIR 实时数字滤波。

1基本原理一个截止频率为ωc （rad/s ）［1］的理想数字低通滤波器，其表达式是：这个滤波器在物理上是不可实现的，因为冲激响应具有无限性和因果性。

为了产生有限长度的冲激响应函数过截短保留冲激响应，可以加窗函数将其截短，通过截短保留冲激响应的中心部分，就可以获得一个线性相位的FIR 滤波器。

例如，使用一个简单的矩形窗设计一个长度N=127，截止频率ωc =π/2的低通滤波器，冲激响应h(n)可表示为：一般来说，FIR数字滤波器输出y(n)的Z变换形式Y(z)与输入x(n)的Z 变换形式之间的关系如下：实现结构如图1所示。

从上面的Z变换和结构图可以很容易得出FIR滤波器的差分方程表示形式。

对式（4）进行反Z变换，可得：式(5)为FIR数字滤波器的时域表示方法，其中x(n)是在时间n 的滤波器的输入抽样值。

基于ＴＭＳ320Ｆ240的永磁同步电机控制系统研究介绍以TMS320F240为核心器件构成的永磁同步电机的一种控制方法，内容包括永磁同步电机控制系统的硬件实现方案，以及实现转矩直接控制的软件方法。

标签：DSP；同步电机；转矩直接控制1 主回路部分本系统主回路采用交一直一交结构，其中逆变器部分采用电压型逆变器。

主回路的结构如图二所示，即两相交流电经过不控整流及滤波后加在IPM的PN输入端。

IPM选用三菱公司的PM50RV A 120(其额定电压为1200V，电流为50A )，整流器件选用三菱公司的RM30TB－H(额定母线输出电流60A，最大反向电压800V，这里仅用了模块提供的三相整流中的两相)。

2 DSP控制系统这一部分主要包括系统采样信号的处理、DSP数字系统、电路的驱动与保护三部分。

2.1 系统的采样信号处理部分（1）光电码盘输出信号来。

永磁同步电机转矩直接控制在电机启动的时候需要知道转子的位置以确定电机定子磁链的初始值，同时需要用光电编码盘的信号计算电机的转速实现速度闭环。

系统需要对光电编码盘的UVW和AB数字信号进行处理，这5个信号经过光祸隔离后直接送入DSP芯片进行数据的处理分析。

（2）三相电流和直流母线电压模拟信号。

由于电机的中线点没有引出，所以三相电流有ia+ib+ic=0的关系，只要测量两相的电流就可以计算得到所有的定子电流，原则上系统仅需配备两个电流传感器。

但考虑保护电路监测瞬时三相电流和直流母线电流的需要，系统配备了四个电流传感器。

为测量定子三相线电压和直流母线电压，系统配置四个电压传感器，以供两种不同控制策略实施的综合。

对电流和电压信号的处理相对光码盘输出信号来说相对复杂一些，以下是信号处理程图2。

无论电流霍尔元件还是电压霍尔元件，输出的信号都是电流型信号，必须经过采样电阻采样转换为电压信号。

该信号不能直接送到DSP采样，因为DSP只能采样0－５V的电压信号，而霍尔元件输出的信号有正有负，必须经过比例调整和电平提升处理。