《死区时间补偿1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《死区时间补偿1（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一种基于空间矢量 PWM 的死区效应补偿策略研究收藏此信息 打印该信息 添加：上海大学 张少锋 高艳霞 徐妍萍 来源：未知1 引言目前，随着电力电子技术的发展，功率器件如 igbt、mosfet 等广泛应用于 pwm 变流电路中。对于任何固态的功率开关器件来讲，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入的信号是不可控的，称为开关死区时间，它引起开关死区效应，简称为死区效应 1,2。在电压型 pwm 逆变电路中，为避免同一桥臂上的开关器件直通，必须插入死区时间，这势必导致输出电压的误差。该误差是谐波的重要来源，它不但增加了系统的损耗，甚至还可能造成系统失稳。对于
2、电机驱动系统而言，死区效应会使得低速时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。本文分析了死区时间的产生以及对输出电压的影响。在此基础上，引入电流预测补偿方法，对其理论进行分析并进行了仿真与实验。2 死区效应分析 3,12以逆变器的其中一个桥臂为例，进行分析死区时间的影响。假设负载为感应电机，如图 1所示。图 1 逆变器一相桥臂的死区效应分析在功率器件开通关断时，逆变器输出电压由于死区的影响在电流极性不同时会表现出不同的形式。当开通功率开关管(igbt)vt 2 时，vt 1 必须关断，如果开通速度比关断速度快，将会在桥臂上产生直通电流而导致损坏器件，因此需要插入死区时间。由于是感性负载，
3、输出电流 i1 通过续流二极管进行续流，二 极管的导通取决于电流 i1 的方向。当 i10 时，有两种工作状态，正常工作状态时，桥臂的上管 vt1 开通，vt 2 关断，电流通过 vt1 流向电机；而在死区时间内，vt 1、vt 2 都关断，此时电流通过下管的续流二极管 vd2 完成续流，保持电流流向电机。当 i10 时，同样也有两种工作状态：正常工作状态时，下管 vt2 开通，上管 vt1关断，电流通过 vt2 形成通路；在死区时间工作状态时，vt 1、vt 2 都关断，此时电流通过上管的续流二极管 vd1 完成续流，保持电流形成通路。尽管逆变器死区时间很小，单个脉冲不足以影响整个系统的性能
4、，但连续考虑一个周期的效应，死区的积累作用使得电动机的定子电压受到很大的影响。受死区的影响，输出电压产生的畸变分析如图 2 所示。图 2 死区对逆变器输出电压的影响图 2 中：a) 理想的驱动波形； b、c) 带有死区的上下管驱动信号；d) 电流方向；e) 逆变器的实际输出电压；f ) 为误差电压波形。3 电流预测补偿法 4,5电流预测补偿方法是将预测控制用于对电压型逆变器的控制，基本思路是在第 k 个采样时刻根据所检测到的负载电流及补偿器输出电流、电动机的数学模型以及下一个开关周期 k+1 时刻的期望电流，计算出符合电流变化的输出电压矢量，然后在 pwm 中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量
5、，从而迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪下一个时刻参考电流，达到跟踪输出电流的目的。在对三相异步电机进行分析和控制时，将其等效为一个带有反电动势的 r-l 负载电路，如图 3a)所示。为便于分析，这里进行坐标变换，将对称三相静止坐标系变换到 d-q 坐标系，如图 3b)所示。a)三相静止状态模型b)两相坐标下模型图 3 异步电机等效电路图和坐标变换模型预测算法是基于 d-q 坐标进行分析的。预测电流控制在 d-q 坐标下，每相的控制方程为：(1)(2)式中 l1电机的总漏感；vk+1第 k+1 时刻的期望电压；k第 k 时刻的感应电动势估计值；i*k+1控制周期第 k+1 时刻的参考电
6、流值；t采样周期。为了计算方便，式(2)可以改写为：(3)其中：e k“准确”的感应电动势电压估计值；vka第 k 时刻的实际电压。假设算法从该时刻开始，那么 ek 的最初估计值为：(4)其中： k运用的第 k 时刻的期望电压( 由于死区的存在，其值与相应的实际电压 vka 可能有误差)对反电动势的估计；v*k第 k 时刻的期望电压。假设 (5) 由上面几式将控制算法运用到下一个采用周期可得： (6)所以 (7)其中 根据估计值 k 进行估计所得的值( 而 k 本身又是根据一个可能有的误差的实际电压进行计算的)。从上式中可以看出，如果反电动势是已知的，那么将会比期望值稍大。增大部分就是前一周期
7、内期望电压应用所带来的误差。由式(5)可得：(8)如果假定每相的电流与前一周期的相同，那么则有：(9)由式(8)和(9)可得：(10)从式(10)可以看出，前一区间的死区影响对于当前区间得到完全的补偿，实际应用电压就是期望电压。同理对于下一个区间有：(11)(12)可以看出，式(12)与式(7)是相同的，因此如果相电流方向不变，则增大部分与前一区间是相同的。也就是说如果每相的电流方向不变，那么以后每个控制区间的电压补偿是相同的。对于由死区所引起的电压误差进行量化处理(忽略电流钳位现象的影响) ，假设当 i0 时，；当 i0 时，v k=0；反之，当电流 i0 时， ，变量是死区时间 td。根据
8、控制算法，如果电流改变方向，从正到负，在 k 区间内，由式(8)可得(13)由式(13)可以得到如下结论：应用到 k 和 k+1 区间内的补偿存在相同的误差，即，但到 k+2 区间则得到完全补偿。同理电流的方向由负到正时，分析方法是相同的。误差在两个控制周期的存在对外部电压有一定的影响，但整体上还是可以得到很好的性能。4 实验结果及分析4.1 仿真模型根据转子磁链定向的矢量控制系统原理 6-9搭建的预测电流补偿的死区补偿仿真框图。如图4 为基于电流预测控制的仿真模型，其中 compensation 模块为根据补偿算法通过 s-函数 10,11的方法构建的补偿模型。图 4 基于 matlab 的
9、仿真系统图4.2 仿真结果根据预测算法及系统原理构建了上述仿真模型。仿真中所使用的参数如下：三相异步电机采用星形接法，额定电压为 380v，额定功率为 3kw，额定工作频率为 50hz，定子电阻为2.220，转子电阻为 3.108，定子电感为 0.2407h，转子电感为 0.2407h，定转子互感为0.2324h，极对数为 2，负载转矩为 2.5nm，给定的转速参考值为 120rad/sec。图 5 为死区时间为 10s 的电流和转矩波形，图 6 为补偿后的电流和转矩波形。从仿真结果上可以看出，此补偿方法有效地改善了电流波形畸变和转矩脉动。三相电流的畸变大大减小，转矩脉动也得到了很好的改善。图
10、 5 死区时间为 10s，未补偿的三相电流和转矩波形图 6 死区时间为 10s 时，补偿后的三相电流和转矩波形控制电路的核心芯片使用的是由 ti 公司生产的 tms320f2812，该芯片是 ti 最新推出的基于tms320c2xx 内核的新型高性能 32 位定点数字信号处理器，为实现电机及其它运动控制提供了良好的平台，可实现高性能 dsp 与高精度模拟及闪存的完美结合 13。采用高性能的静态 cmos 技术，运算速度快，可以很方便的加入死区补偿算法。实验结果如下图 7、8 所示，图 7 为 5hz 时补偿前的实验波形，图 8 为 5hz 时补偿后的实验波形，从两图中可以看出补偿后电流波形明显
11、得到改善，电流波形的畸变得到修正，但由于检测精度和电流过零点的判断的准确性，电流波形还存在零电流钳位现象。图 7 5hz 时的死区时间为 4s 时的 a 相未补偿的电流波形图 8 5hz 时的死区时间为 4s 时的 a 相补偿后的电流波形5 结束语本文针对空间矢量 pwm 调制方法，对死区进行补偿。仿真结果表明该方法切实可行，能够得到较好的补偿效果。采用预测控制的算法，由 dsp 芯片 tms320f2812 来实现。理论分析和实验结果表明，这种补偿方法可以对死区效应得到较好的补偿效果。但由于检测精度和电流过零点判断的准确性，电流波形还存在零电流箝位现象，有待于进一步改善。作者简介 张少锋(1
12、982-) 男 硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。参考文献1 jeong g,park m.h. the analysis and compensation of dead-time effects in pwm invertersj. ieee transactions on industrial electronics,1991,38(4):108-114. 2 lazhar ben-brahim. the analysis and compensation of dead-time effects in three phase pwm invertersj. ieee, 1998
13、: 792-797.3 刘海舰,高艳霞,李南. 用于脉宽调制逆变器的死区补偿方法j. 电机与控制应用,2007(34):15-17.4 holmes d,martin d. implementation of a direct digital predictive current controller for single and three phase voltage source invertersj. in:conference record of the ieee ias annual meeting,1996:906-913.5 刘亮,邓名高,欧阳红林等. 基于预测电流控制的 pwm
14、 逆变器死区补偿方法研究j. 电工技术学报,vol20(8):78-82.6 王兆安,黄俊. 电力电子技术m. 北京:机械工业出版社,20007 阮毅,陈维钧. 运动控制系统m. 北京:清华大学出版社,2006.8 许强,贾正春等. 永磁同步电机的自适应预测电流控制j. 电气传动,1999(4):19-24.9 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的 matlab 仿真 m. 北京:机械工业出版社,2006.10 薛定宇,陈阳泉. 基于 matlab/simulink 的系统仿真技术与应用 m. 北京:清华大学出版社,2006.11 黄忠霖. 控制系统 matlab 计算及仿真m. 北京: 国防工业出版社,2001.12 王庆义,邓歆,罗慧等. 一种新的基于 svpwm 策略的死区补偿方法 j.电气传动,2008(2):19-22.13 吴守箴,臧英杰. 电气传动的脉宽调制控制技术 m. 北京:机械工业出版社,1995.
