永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真—逆變器的死區(qū)補償

01 死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生

死區(qū)效應(yīng)，準(zhǔn)確說應(yīng)該叫逆變器的非線性特性，由兩部分構(gòu)成：

• 死區(qū)時間；
• 功率器件的導(dǎo)通壓降；

其會導(dǎo)致逆變器輸出電壓與PWM指令不相等[1]。在電機低速工況時和高速六階梯波模式下，為了保證系統(tǒng)的性能，必須對PWM的死區(qū)時間進(jìn)行補償。特別是，當(dāng)電流的幅值幾乎為零時，由于死區(qū)效應(yīng)，即使在該相有一些電壓指令參考，電流也被鉗制為零。

電流流出時，逆變器理想輸出電壓與實際輸出電壓之差

電流流入時，逆變器理想輸出電壓與實際輸出電壓之差

02 死區(qū)補償方法

針對不同的應(yīng)用要求，死區(qū)補償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，實現(xiàn)的難易程度和成本也各不相同。下面介紹一種行業(yè)中廣泛使用且容易實現(xiàn)的一種方法。

首先分析死區(qū)時間，根據(jù)三相電流的流向可以得到每相逆變器理想輸出電壓與實際輸出電壓之差

式中Td為死區(qū)時間，TPWM為PWM周期，Udc為直流電壓，Sign為符號函數(shù)，ix為電機電流。將每相的電壓誤差通過Clarke變換，死區(qū)效應(yīng)引起的電壓誤差可以在三相坐標(biāo)系中表示為六個電壓誤差矢量 ，如下圖所示。例如，當(dāng)電流矢量is在-π/6~π/6范圍內(nèi)，a相電流大于零，b相和c相電流小于零，計算得到電壓誤差矢量

其導(dǎo)致的實際輸出電壓由V*s 變?yōu)閂s。

由于死區(qū)時間導(dǎo)致的實際輸出電壓

因此其補償?shù)幕驹硎强紤]電流的極性，通過增加壓誤差矢量，補償參考電壓V*s，使逆變器輸出電壓與指令電壓一致。

實現(xiàn)框圖如下：

死區(qū)補償實現(xiàn)框圖

實際應(yīng)該時，可以根據(jù)實際情況，標(biāo)定電壓誤差矢量的補償系數(shù)。

03 HIL測試結(jié)果

搭建電機控制器桌面式HIL測試平臺，如下圖所示。包括：

上位機：在線參數(shù)修改，實時波形監(jiān)視與記錄；

示波器：波形顯示；

Performance實時仿真機（包含IO334 FPGA板卡和IO3XX-21數(shù)字?jǐn)U展板）：運行被控對象模型。

Baseline實時仿真機（包含IO397 FPGA板卡）：運行電機控制器模型。

旋變調(diào)理卡：將2路單端模擬信號轉(zhuǎn)換為2路差分模擬信號，以及線圈阻抗等效。

旋變解碼卡：輸出旋變激勵信號，測量PMSM的位置和速度。

電機控制器桌面式HIL測試平臺

定子頻率5Hz，開關(guān)頻率20kHz，死區(qū)時間2μs，示波器的電流波形如下：

電流波形（無死區(qū)補償算法）

電流波形（有死區(qū)補償算法）