基于永磁同步电机的SVPWM死区分析与补偿

基于永磁同步电机的SVPWM

死区分析与补偿

许嘉日文　徐国卿　康劲松同济大学

摘要:在理想和实际情况下,按电流方向的不同,分析了死区效应对空间电压矢量脉宽调制逆变器控制的永磁同步电机输出波形的影响。根据电流空间矢量图将三相电流分成6个区域,并在各区域中按电流方向对三相输出电压进行补偿。实验结果表明,该方法避免了系统软硬件复杂程度的增加,同时达到了很好的效果。关键词:空间电压矢量脉宽调制　死区效应　永磁同步电机

AnalysisandCompensationoftheDead2timeEffectinSVPWMBasedonPMSMXuJiamin　XuGuoqing　KangJingsongAbstract:Thedead2timeeffectontheoutputwaveformofthePMSMcontrolledbySVPWMinverterwasanalyzedwithdifferentcurrentdirectionsunderidealandrealcircumstancerespectively.Itadvisedacompensa2tionstrategyofitseffect,whichdividesthree2phasecurrentintosixregionsaccordingtothespacevectorfig2ureofcurrent,andcompensatedthree2phasevoltageineachregionintermsofcurrentdirections.Experimentsresultsshowthatthisstrategycangetgoodcompensationeffectwithoutincreasingthecomplexityofbothsoft2wareandhardwareoforiginalsystem.Keywords:spacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM)　dead2timeeffect　permanentmagnetsynchro2nousmotor(PMSM)

1　引言空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)是一种优良的PWM方案,它不仅能提高逆变器直流电压利用率,减少谐波损失,抑制转矩脉动,而且易于由高速数字信号处理器(DSP)实时生成高精度的波形,因此在高性能电机调速系统中得到越来越多的应用[1～3]。然而,为防止同一桥臂上的两功率管直通造成短路,必须设置死区时间。开关器件的非理想特性在死区作用下,导致输出电流波形发生畸变,特别在低速时稳态转矩脉动,甚至引起电机振荡等不良后果。针对永磁同步电机矢量控制系统中空间矢量脉宽调制死区问题的特殊性,本文提出一种采用空间电压矢量与三相电流方向相结合的死区补偿方法,与其它方法相比,精确度更高,且不需要增加额外的硬件耗费,代码量小、实现简单、易于模块化。2　SVPWM死区效应分析及补偿原理 逆变器-永磁同步电机系统主电路模型如图1所示。图1中,VDC为直流电源(V);C

d

为中间

直流回路支撑(滤波)电容(F);T1～T6为6个功率管,D1～D6为6个续流二极管。如图1所示,

在死区期间内,对应于电机三相输出电压,产生电压误差由电流的方向决定[4～10]。以电机a相为例分析a相输出电压一个开关周期内的波形。按a相电流方向电流从桥臂流向负载(正向)和电流从负载流向桥臂(反向)的两种情况。图2a为a相电流正向时输出电压一个开关周期内的波形,图2b为反向情况。图2中虚线表示参考相电压波形,实线表示实际获得的电压波形,点划线表示需补偿的参考电压。

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　基于永磁同步电机的SVPWM死区分析与补偿电气传动　2007年　第37卷　第2期　图1　逆变器-永磁同步电机主电路模型图2　a相参考电压和输出电压波形 如图2a所示,a相电流正向时,上管断开,电流经下臂并联二极管续流,由于二极管导通压降(Vd),使得uao=-VDC/2-Vd;参考相电压反相

后,上管经过死区时间和开通延时(td+t

on

)后导

通,电流经上管流向负载,uao上升,由于上管的导通压降(V

S

),使得uao=VDC/2-V

S

。

如图2b所示,a相电流反向时,下管导通,电流经下管流向负载,由于下管导通压降(V

S

),使

得uao=-VDC/2-VS;参考相电压反相后,下管经过关断延时toff后关断,电流经上臂并联二极管续流,uao上升,由于二极管导通压降(V

d

),uao=

VDC/2-Vd

。

根据参考电压和补偿后电压伏秒面积相等的原则,若要误差电压为零,则当电流为正向时ΔV=[(1-D)TS+τ]Vd+τV

DC+

(DTS-τ)VS-tcom+(VDC+Vd-VS)=0得出

tcom+={τVDC+(DTS-τ)V

S+

[(1-D)TS+τ]Vd}/(VDC+Vd-V

S

)

(1)taon+=t3aon+tcom+

(2)

同理,可得出当电流为反向时

tcom-={τVDC+[(1-D)TS-τ]V

S+

(DTS+τ)Vd}/(VDC+Vd-VS)(3)taon-=t3aon-tcom-

(4)

式中:ΔV为误差电压;VDC为母线直流电压;VS,V

d

分别为开关器件和并联二极管的导通压降;ton,t

off

分别为开关器件的等效开通和关断延迟时间,ton包

括驱动信号和器件自身的开关延时;td为死区时间;TS为开关周期;t

3

aon为上管理想导通时间;taon+,

taon-

分别为电流正向和反向时的上管实际导通时

间;D为占空比,D=t

3

aon/TS;τ=td+ton-toff;tcom+,

tcom-

分别为电流正向和反向时的补偿时间。

b相,c相的情况以此类推。

3　死区补偿策略由上述对SVPWM死区补偿原理的分析可知,进行死区补偿的前提条件为准确获取三相负载电流的方向。由文献[6]可推出电流空间矢量的位置和三相电流流向的对应关系如图3所示,图3中符号从中心向外依次代表a,b,c相电流流向,+表示正向,-表示反向(从负载流向桥臂);6个箭头表示电流空间矢量;虚线表示三相电流的过零点(例如当输出电压矢量位于90°角时将出现a相电流过零),虚线将电流空间平面按各相电流方向分成Ⅰ～Ⅵ6个区域,可分别对其进行补偿(例如图3

中30°,90°区域对应的三相电流方向为a+,b+,c-)。

图3　电流空间矢量图中的三相电流方向 对于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统,当采用id=0控制时,转子磁链方向始终和转子坐标系(d-q轴系)的d轴重合,定子电流矢量始终位于q轴。如果设θe为转子d轴与静止

坐标之间的电角度,则图3中区域Ⅰ(30°～90°),

对应θe区域为(-60°,0°)。类似的可以推出其他

5个区域对应的θe角范围,如表1所示。因此可先由位置传感器获得转子位置θe,根

据表1判断其所属的区域,进而得到对应的电流矢量区域和电流的流向,然后根据电流流向代入相应的补偿公式进行死区补偿。03

　电气传动　2007年　第37卷　第2期基于永磁同步电机的SVPWM死区分析与补偿　表1　θe,电流空间矢量,

电流流向,补偿公式之间的关系

θe

对应的电流

空间矢量区域a,b,c相电流流向a,b,c相上管经补偿后的导通时间

-60°t

con-

0°t

con-

60°t

con+

120°t

con+

180°t

con+

240°t

con-

值得注意的是,实际情况中还会出现由于PWM输出脉冲宽度较小以至死区补偿后小于零;或者输出脉冲宽度较大,以至补偿后超过饱和值的情况。因此必须对式(2)、式(3)的补偿结果进行修正,即:

Iftaon+≤0; thentaon+=0

Iftaon+≥0.5TS;thentaon+=0.5T

S

图4给出了补偿方案在系统中的控制框图。其中死区补偿模块根据空间矢量模块给定的死区时间D按前述算法进行相应的死区补偿。

图4　带死区补偿的永磁同步电机矢量控制框图4　实验结果采用TI生产的TMS320F2407A为核心控制器,功率模块为三菱的PM300CSD060IPM,典型开通时间为0.8μs,关断时间为2.0μs,开关管导通压降典型值VS=1.7V,二极管导通压降Vd=2.2V。PMSM最大功率P=7.5kW,极对数p=2,最大转矩140N・m,峰值效率≥90%。SVPWM逆变器死区时间设置为5μs,母线直流电压为312V,开关频率为16kHz。图5a、图5b分别为电机处于低速情况下的死区补偿前后的a相电流波形。

图5　死区补偿前后的a相电流波形5　结论

本文分析了空间矢量脉宽调制方法中由死区时间和开关器件的非理想特性造成的输出电压畸变,提出了按各相电流方向进行死区补偿的策略。针对永磁同步电机矢量控制系统,推导出由位置传感器获得转子位置电角度,计算出电流空间矢量的位置和三相电流方向,进而进行相应死区补偿的控制策略。并通过实验来证明该方法可行,

具有很好的实用价值。

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