基于空间矢量的死区预测补偿

作者：信息来源:电子市场 2007-6-4

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摘要本文提出一种对死区时间的预测补偿。死区效应可被视为一种空间矢量，它由两个因素决定：扇区数和相电流方向。在一个调制周期内，通过校正参考空间电压矢量，死区效应得以消除。关键词空间矢量补偿仿真 1引言随着控制芯片（如DSP）运算速度和电力电子器件（如IGBT）开关频率的日益提高，在变频调速中使用空间矢量控制已...

　　　
　　摘要　本文提出一种对死区时间的预测补偿。死区效应可被视为一种空间矢量，它由两个因素决定：扇区数和相电流方向。在一个调制周期内，通过校正

考空间电压矢量，死区效应得以消除。仿真结果证明该方法

正确的。　　
关键词　空间　矢量　补偿　仿真

1　引言
　　随着控制芯片（如DSP）运算速度和电力电子器件（如IGBT）开关频率的日益提高，在变频调速中使用空间矢量控制已非常容易。但是开关器件存在一定的导通时间和关断时间，为防止同一桥臂上的两个开关发生“直通”，必须在控制信号中设置死区。例如，用于电机控制的TMS320X24X系列芯片中，就有专门的可编程死区单元^［1］。然而，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，转矩产生脉动。尤其在电机低速运行时，死区效应显得更为明显。因此死区补偿是必不可少的。目前，较常见的方法是电压误差平均法。即把死区产生的电压误差平均在每一个调制周期内，然后将电压误差转化到电机模型上，最后用转化到电机模型上的电压误差去校正参考空间电压矢量。种方法虽能在一定程度上改善死区效应，但会造成逆变器输出电压的相位漂移。所以本文提出了一种新的死区预测补偿方法，即把死区效应看作一种电压矢量。通过判断参考空间电压矢量在哪一扇区，从而预测电机三相电流的方向，并得出相应的死区矢量，最后校正空间电压矢量，以达到抵消死区电压矢量的目的。通过建立转差矢量控制的仿真模型，验证了这种方法的可行性。　　
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。

2．1　空间矢量的基本原理
　　电压空间矢量控制^［2］，又称磁链跟踪控制，其最终目的是在空间产生圆形磁场，从而产生恒定的电磁转矩。图2为空间电压的矢量图。

　　逆变器共有8种开关空间矢量，它们将空间分为6个区域。通过式（1）将这8种开关空间矢量转化到d－q坐标，并由式（2）计算不同空间矢量的作用时间。

式中，T_pwm为调制周期，T₁，T₂分别为矢量（100），（110）的作用时间。T₀可以是（000）与（111）单独作用（即低损耗方式，又称硬件方式），也可以是两

2．2　由死区引起的电压误差
　　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。下面以图1中A相桥臂为例，分析了死区引起的电压误差。
（1）电流I_a＞0时
　　（a）下开关T2关断，上开关T1导通：死区时间T_d内，电流继续流过下方的二极管D2，经过导通时间T_on的延迟，电流开始流过上开关T1，结果导致在T_d＋T_on时间内输出电压出现偏差。
　　（b）上开关T1关断，下开关T2导通：经过T_off的时间延时，流过上开关T1的电流开始流过下方二极管D2，结果在T_off区间内逆变器的输出电流和参考电压之间出现偏差。
（2）电流I_a＜0时
　　（a）下开关T2关断，上开关T1导通：经过关断时间T_off延时，流过下开关T2的电流开始流向上二极管D1，结果在T_off区间内，逆变器输出电压和参考电压间出现偏差。
　　（b）上开关T1关断，下开关T2导通：在死区时间T_d内，电流继续流过上二极管D1，经过导通时间T_on的延时后，电流开始流过下开关T2，其结果是逆变器在T_d＋T_on区间内出现输出电压偏差。
　　图3所示为一个调制周期内，不同的相电流极性情况下所对应的触发脉冲。通常载波频率为10kHz，即调制周期为100μs，死区时间一般设定为3～5μs，而IGBT的导通和关断延时通常不超过1μs，故可忽略。图3（b）就是忽略了导通和关断延时。由图3不难看出，当电机低速运行时，T_X（无死区的触发脉冲宽度）较小，那么死区时间T_d与之相对较大，死区效应更为明显，即相电流畸变和转矩脉动更加显著。

3　死区的预测补偿策略
3．1　死区矢量的概念
　　既然在每一个扇区内参考空间电压矢量U^＊是由两种开关空间矢量和零矢量合成，那么也可以把死区效应视作一种空间矢量，即（xyz）。x，y，z＝1或0。图4中U_d为总的死区矢量，若不进行补偿，输出的电压矢量为U，与参考值相差ΔU。U^＊′为校正后的参考空间电压矢量，它与死区矢量正好合成U^＊。而死区矢量的模式与两个因素有关：（1）参考空间电压矢量所在的扇区数。（2）相电流的方向。表1为不同扇区下的死区矢量模式。

　　以空间矢量的硬件实现方式为例（又称低损耗方式）^［3］。通过TMS320X240的全比较动作控制寄存器（ACTR）来实现。图5为扇区Ⅰ的调制波形。死区时间内上下开关均处于关断状态。此时，若一相电流大于零，则电流通过下二极管续流，结果使逆变器的这一相直接与直流电压的负极相连，开关状态等效为零。反之，若相电流小于零，开关状态则等效为1。从图5中不难看出死

3．2　相电流的方向判定
通常对相电流方向的判定采用带回差的阈值判别补偿法，但这种方法受到电磁干扰和电流传感器精度的影响。本文提出一种对相电流方向的预测方法。实际上相电流正负半周的持续时间远大于调制周期，即可认为在一个调制周期内相电流的方向不变。而且，一般异步电动机额定的功率因数大约为0．8～0．92，其功率因数角较小，故可认为相电流的方向是跟踪参考相电压的方向。基于这种思想，把复平面分为六个扇区（注意：此扇区不同于前面的空间矢量扇区）如图6所示。

3．3　死区的实时补偿
　　从图4容易看出若参考空间电压矢量使用U^＊′，那么逆变器的输出电压正好为U^＊，即将式（2）中的U^＊用U^＊′代替。式（4）说明了U^＊′的求解方法，其中U_d＝U_d1＋U_d2＋U_d3＋U_d4，即四个死区矢量合成的总死区矢量。且U^＊，U_d均要用式（1）转化到d－q坐标上。图7为预测死区补偿策略的流程图。

4　仿真结果
　　利用MATLAB中的SIMULINK模块建立转差矢量控制模型。电机的额定转矩为300N·m，施加的负载转矩为200N·m。调制周期为100μs，死区时间设定为4μs。图8为转速从0到175／r·min^－1时的电磁转矩波形。（a）为不加死区时的理想波形，（b）为加死区但未进行补偿时的波形，（c）为加死区并进行预测补偿时的波形。从图中不难看出进行死区补偿后的波形与不加死区时的理想波形非常接近。
5　结论
　　本文提出对死区的预测补偿方法，此方法有两个特点：（1）把死区效应视为与8个开关空间矢量同性质的空间矢量。（2）利用参考电压对相电流的方向进行预测。那么，在一个调制周期内，在触发脉冲发出前就可以对死区矢量模式进行预测，并实时校正参考空间电压矢量。但是，这种方法也有不足之处，即参考空间电压矢量在60°扇区（如图2）的交界处附近时，校正后的参考空间电压矢量与校正前的可能不在同一扇区，并且不同扇区的死区矢量也不相同。

参考文献

1　TMS320X24XDSP控制器参考手册（外设模块）．武汉力源电子股份有限公司，2001．
2　陈伯时，陈敏逊．交流调速系统．机械工业出版社，1997．
3　Zhenyu Yu．Space－Vector PWM With TMS320C24X／F24XUsing Hardware and Software Determined Switching Patterns．PatternsTEXASINSTRUMENTSApplication Report，1999．
4　Ciro Attaianese，Giuseppe Tomasso．Predictive compensationof dead－Time effects in VSIfeeding Induction Motors．IEEE Trans on Industry Application，2001，37（3）：856～863．
5　T．Sukegawa，K．amiyama，T．Matsumi．Fully digital vectorcontrolled PWMVSI－fed ACdrives with aninverterdead－timecompensation strategy．IEEETrans on Industry Application，1991，27（5）：552－558．

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