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永磁同步电机SVPWM控制方法的死区分析与补偿

作者：卢秀和 佟雪佳 许宏志 张志杰 来源：《中国高新技术企业》2013年第19期

摘要：文章在理想和实际情况下，对逆变器死区效应及对永磁同步电机输出波形的影响进行了分析。为了防止逆变器的“桥臂”发生直通，必须设置“死区时间”。文章根据三相电流输出方向，分别按各相电流进行补偿，以达到消除死区效应的目的。实验结果表明，该方法简单且不需附加硬件，具有较好的补偿效果。

关键词：空间电压矢量脉宽调制；死区效应；永磁同步电机

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0074-02

空间电压矢量脉宽调制SVPWM控制已经成为三相逆变器中最重要的调制方式。它的数学建型是以电机统一理论和电机坐标轴变换理论为基础的，物理意义直观，数学模型简单，并具有抑制转矩脉动、噪音低、电压利用率高等优点。

为防止逆变器同一桥臂上的两个功率管发生直通造成短路，必须设置死区时间。但这会使逆变器出现死区效应，导致输出电流波形发生畸变，输出转矩减小，特别是在低速轻载时稳态转矩脉动，容易引起电机振荡，甚至无法正常工作。

针对在非理想特性下造成的死区效应，本文提出了根据将三相电流分成6个区域，并在各区域中按相电流方向对三相输出电压进行死区补偿措施，此方法不仅提高了逆变器低频轻载时的输出性能，且不需附加额外硬件，实现简单，易于模块化。 1 永磁同步电机SVPWM死区效应分析

图1为永磁同步电机逆变器主电路结构图。下面以a相电流为例进行死区效应分析，电流方向为桥臂流向负载（即正向电流）。图1中，Vdc为直流电源；Cd为中间直流回路滤波电容；D1～D6为6个续流二极管；T1～T6为6个功率管。在死区期间内，三相电机输出电压产生的误差方向由电流方向决定。 图1 永磁同步电机逆变器主电路结构

如图2所示，图2（a）为a相电流正向时输出电压一个开关周期内的波形，图2（b）为反向情况。实线为实际获得电压波形，虚线为参考相电压波形，点划线为需补偿参考电压。 （a）ia正向的情况 （b）ia反向的情况

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图2 a相参考电压和输出电压波形

如图2（a）所示，当a相电流流向负载（即正向电流）时，上管断开，下管续流，存在二极管导通压降Vd，使得uao=-Vdc/2-Vd；参考相电压反向后，上管经过死区时间和开通延时（td+ton）后导通，电流经上管流向负载，此时存在开关器件导通压降Vsat，使得uao=Vdc/2-Vsat。同理可得当电流由负载流向电源（即反向电流）时uao的情况。

根据参考电压伏秒面积等于补偿后伏秒面积原则，若要误差电压为零，当电流为正向时 ΔV=[（1-D）Ts+τ]Vd+τVdc+（DTs-τ）Vsat-tcom+（Vdc+Vd-Vsat）=0 得到tcom+={τVdc+（DTs-τ）Vsat+[（1-D）Ts+τ]Vd}/（Vdc+Vd-Vsat） taon+=t※aon+tcom+ 同理，可得出电流反向时：

tcom-={τVdc+[（1-D）Ts-τ]Vsat+（DTs+τ）Vd}/Vdc+Vd-Vsat taon-=t※aon+tcom- 式中：

ΔV——误差电压 Vdc——母线直流电压 Vsat——开关器件的导通压降 Vd——并联二极管的导通压降 ton——开关器件的等效开通时间 toff——开关器件的关断延迟时间 td——死区时间 Ts——开关周期

t※aon——上管理想导通时间

taon+，taon-——正反向电流的上管实际导通时间

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tcom+，tcom-——正反向电流的实际补偿时间 D——占空比，D=t※aon/Ts

τ——时间误差，τ=td+ton-toff，b、c相情况以此类推

图3为系统中死区补偿方案的矢量控制图。图中死区补偿模块需根据空间矢量模块给定的死区时间D按照上述算法来进行相应的死区补偿。 图3 永磁同步电机的死区补偿矢量控制图 2 死区补偿方法

由前述对永磁同步电机空间矢量死区补偿原理的分析可知，要进行死区补偿，需准确获得三相负载电流的方向，图4为电流空间矢量的位置和三相电流流向的对应关系。a、b、c分别代表a、b、c相电流流向，+代表正向（从桥臂流向负载），-代表反向（从负载流向桥臂），虚线代表三相电流的过零点（例如当三相输出电压的矢量位于π/2位置时，就会出现a相电流过零），箭头表示电流空间矢量，根据电流空间矢量图将三相电流分成了I～Ⅵ6个区域，并分别在各区域中按电流方向对三相输出电压进行补偿（例如图4中π/6、π/2区域对应的三相电流方向为a+、b+、c-，同理π2/3、π5/6区域对应的三相电流方向为a-、b+、c-）。 图4 三相电流空间矢量方向

在永磁同步电机矢量控制系统中，当转子磁场定向，采用控制时，转子磁链的方向始终和转子坐标系（d-q轴系）的d轴保持一致，定子电流矢量方向则始终与q轴重合。表1为、电流空间矢量区域、三相电流流向、补偿公式之间的关系，为转子d轴与静止坐标之间的电角度[如图4中区域I（～），对应的区域则为（-，0°）]。同理可以推出在另外5个区域中角所属的范围。

表1 、电流空间矢量区域、三相电流流向、补偿公式的关系

θe 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 -π/3 0° π/3 2π/3 π