感应电机空间矢量PWM控制逆变器死区效应补偿

第 28 卷 第 15 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.15 May 25, 2008 2008 年 5 月 25 日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 79 文章编号：0258-8013 (2008) 15-0079-05 中图分类号：TM 34 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40 感应电机空间矢量PWM控制逆变器死区效应补偿 王高林，于 泳，杨荣峰，徐殿国 (哈尔滨工业大学电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，黑龙江省 哈尔滨市 150001) Dead-time Compensation of Space Vector PWM Inverter for Induction Motor WANG Gao-lin, YU Yong, YANG Rong-feng, XU Dian-guo (Dept. of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: A dead-time compensation strategy is presented to compensate dead-time error voltage and eliminate zero- current clamping effect for vector controlled induction motor drive system. The factors influencing dead-time effect are analyzed, and expression of equivalent dead time is deduced. Average dead-time compensation technique is adopted to compensate error voltage at two-axes stationary frame. To improve accuracy of current polarity detection, components of magnetizing current and torque current are transformed into two-axes stationary frame. Therefore, compensating voltage vector can be determined according to the sector where the current vector locates. In addition, a zero-current clamping phenomenon eliminating scheme is adopted combining with the above compensation method to improve the compensation performance. The proposed compensation method is realized with TMS320F2812 DSP chip. Experimental results demonstrate the feasibility of the dead-time compensation method in 11 kW vector controlled induction motor drive system. KEY WORDS: induction motor; space vector PWM; dead- time effect; zero-current clamping; compensation 摘要：针对感应电机矢量控制系统，提出了一种可以同时补 偿死区误差电压并消除零电流钳位现象的死区补偿方法。在 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 影响死区效应的因素以及等效死区时间 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式的基础 上，采用平均死区时间补偿法，在两相静止轴系中对等效死 区时间产生的误差电压进行了补偿。为了提高电流极性检测 的准确性，利用旋转轴系中的励磁电流和转矩电流分量经过 坐标反变换，判断电流在两相静止轴系所处的扇区来决定需 要施加的补偿电压。另外，为了改善输出电流波形的质量， 将一种零电流钳位效应消除方法结合到上述补偿方法中。通 过 TMS320F2812 DSP 芯片实现补偿算法，并在 11 kW 感应 电机矢量控制系统中验证了死区补偿算法的有效性。 关键词：感应电机；空间矢量脉宽调制；死区效应；零电流 钳位；补偿 0 引言 感应电机在各种工业场合应用非常普遍，其控 制技术研究也受到了广泛重视，其中空间矢量脉宽 调制技术(space vector PWM, SVPWM)一直是热门 的研究课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 [1-3]。在 SVPWM 逆变器中，为了防止同 一桥臂的 2 只开关管产生直通，需要在 2 只开关管 的开通与关断时刻之间加入一定的死区时间，所产 生的死区效应会造成逆变器输出电压基波分量减 小、输出电流波形畸变及输出转矩脉动等[4]。在感 应电机矢量控制场合，往往需要知道输出电压的状 态量，由于输出电压由离散的脉冲组合而成，难以 测量，通常直接将参考电压当作输出电压[5-6]。但与 参考电压相比，实际的电压由于受死区时间影响而 与参考电压有所差别。因此为了能进一步提高感应 电机的控制性能，有必要对死区效应进行有效补偿。 已有众多学者对死区效应进行了研究，并提出 了许多补偿方法[4-15]，基本上可以分为 2 种，一种 是基于平均误差电压补偿法，这种方法具有易于实 现的优点，缺点是补偿不够精确，后来又有学者对 开关器件管压降引起的附加死区时间以及电路中寄 生参数对死区效应的影响进行了研究[16-17]。另一类 方法是基于脉冲的补偿方法，这种方法可以对死区 时间进行比较精确地补偿，但对控制芯片的要求也 更高，要求芯片在一个 PWM 载波周期内进行 2 次 采样[18]。死区补偿中电流极性的检测很重要，如果 对电流过零点判断不够准确反而会引起误补偿。尽 管很多补偿方法能够取得不错的补偿效果，但在低 速轻载的场合，经常会发生零电流钳位现象，使输 出电流产生畸变[17,19-21]。本文采用平均误差电压补 偿法并结合零电流钳位效应消除方法对感应电机 80 中 国 电 机 工 程 学 报 第 28 卷 PWM 逆变器的死区效应进行了补偿，最后在 11 kW 感应电机系统中对这种补偿方法进行了验证。 1 PWM 逆变器死区效应分析 图 1 为感应电机 PWM 逆变器的原理图。由于 死区时间的存在，使在死区时间内输出电压的大小 不受开关管控制，由输出电流的方向来决定，另外 IGBT 的开通和关断都需要一定的时间，再考虑 IGBT 和反并联二极管的通态管压降，这些因素共 同作用使输出电压存在一定的误差。 以 a 相为例分析 PWM 逆变器的死区效应。图 2 所示为a相电流由逆变器流向负载(ia>0)时死区效应 的波形图。 gau+ 和 gau− 分别为上、下 2 只开关管的驱 动信号；td 为 2 只开关管开通与关断时刻之间的死 区时间； idealanu 为不考虑死区时间时的理想输出电压 波形； real1anu 为只考虑了外加死区时间时的输出电压 波形； real2anu 为同时考虑了开关器件开通和关断延迟 时间( ont 和 offt )时的输出电压波形； real3anu 为将开关管 和二极管的管压降(uS和 uD)也加以考虑的输出电压 波形； anu∆ 为输出电压的误差电压波形。 同理可以对 ia<0 的情况进行分析。如果将 td、 ton、toff、uS和 uD对输出电压产生的影响都进行考虑， 则等效死区时间 terr可以表示为 err an d on off avonsign( )( )t i t t t t= + − + (1) 其中， anan an 1, 0 sign( ) 1, 0 i i i >⎧= ⎨− <⎩ ， avont 为开关管和二 极管的平均通态管压降产生的等效误差时间： on S off D an dc avon off D on S an dc , 0 , 0 t u t u i u t t u t u i u +⎧ >⎪⎪= ⎨ +⎪ <⎪⎩ (2) S a- S b - S c- S a+ S b+ ai bi cidc 2 u dc 2 u D a + a b c no Da- Db- Dc- S c+ D b + D c + 图 1 三相 PWM 逆变器原理图 Fig. 1 Three-phase PWM inverter 实际输出相电压与理想输出相电压在一个周期 内的平均误差电压可以表示为 err err dc s tu u T = (3) t ST dt ont offt Du Su dc 2 u + gau gau − idael anu rael1 anu rael2 anu rael3 anu anu+∆uan 图 2 a 相死区效应波形图(ia>0) Fig. 2 Dead-time effect of phase a (ia >0) 2 死区补偿方法 2.1 误差补偿电压矢量的确定 采用平均死区时间补偿法进行补偿，通过以上 分析可以确定三相静止轴系中的误差电压，则两相 静止轴系中的误差电压可以通过坐标变换来计算： an bn cn 1 11 2 2 2 3 3 30 2 2 u u u u u α β ⎡ ⎤ ∆⎡ ⎤− −⎢ ⎥∆⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎢ ⎥= ∆⎢ ⎥ ⎢ ⎥∆ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎢ ⎥∆− ⎣ ⎦⎢ ⎥⎣ ⎦ (4) 在两相静止轴系中，误差电压矢量可以用图 3 表示，误差电压矢量取决于电流矢量角，可以将两 相静止电流轴系平面分为 6 个扇区，每个扇区对应 一个误差电压矢量。于是可以得到在两相静止轴系 中补偿电压与电流矢量角的关系如表 1 所示。 1(001)U∆ 3 (011)U∆ 6 (110)U∆ 2 (010)U∆ 5 (101)U∆ 4 (100)U∆ Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ α β Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 图 3 两相静止轴系中的误差电压矢量 Fig. 3 Error-voltage vector in two-axes stationary scheme 第 15 期 王高林等： 感应电机空间矢量 PWM 控制逆变器死区效应补偿 81 表 1 电流矢量与补偿电压的关系 Tab.1 Relation of current vector to compensation voltage 扇区 ia ib ic uαcom1 uβcom1 I + − − 4uerr/3 0 II + + − 2uerr/3 2uerr/ 3 III − + − −2uerr/3 2uerr/ 3 IV − + + −4uerr/3 0 V − − + −2uerr/3 −2uerr/ 3 VI + − + 2uerr/3 −2uerr/ 3 2.2 电流极性的判断方法 补偿电压取决于三相电流的极性，如果通过直 接检测三相电流来判断电流极性，在零点附近会有 较大误差，容易引起误补偿。由于 id和 iq为缓变直 流量，可通过一个简单的一阶低通滤波器来滤除高 次谐波成分，再由滤波后的 idf和 iqf来判断电流极性。 同步旋转轴系电流 idf和 iqf经过坐标反变换得到 两相静止坐标系下电流矢量的幅值和相位角： coscos sin sinsin cos df i s qf i ii t t I ii t t α β θω ω θω ω − ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤= =⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (5) 根据计算所得到的电流矢量角 iθ ，可以在两相 静止坐标系中判断电流矢量所处的扇区，于是可以 根据表 1 来确定所需的补偿电压矢量。 2.3 零电流钳位效应消除策略 为了提高死区补偿效果，有必要对电流过零点 的钳位现象进行分析，并采取有效措施将其消除。 图 4 为 a 相电流由正向往负向过渡时，由于死区时 间引起电流与电压波形的偏差。在死区时间内，当 ia 减小到零时，由于同一桥臂的 2 只开关管都处于 关断状态，使 uan 失去开关管的控制而出现了偏差 (此时 uan等于 a 相反电动势 ea)，这将阻碍 ia朝反方 向变化而钳位在零点，从而产生零电流钳位现象。 当 ia过零点时，图 1 中的 b 和 c 点电位由所在 桥臂开关管的状态决定： b dc b 1( ) 2o u u S= − (6) c dc c 1( ) 2o u u S= − (7) 结合异步电机三相绕组对称的原理，可以得到： a a b c 3 1 ( ) 2 2o o o u e u u= + + (8) b b c a 1 ( ) 2n o o u u u e= − − (9) c c b a 1 ( ) 2n o o u u u e= − − (10) 可以看出由于零电流钳位效应的存在，使三相 输出电压都产生了误差，误差电压可以通过坐标变 换到两相静止坐标系。3 个相电流过零时分别需要 补偿的等效误差电压可以用表 2 来表示。 将表 2 的零电流钳位效应补偿电压矢量与表 1 的死区时间误差电压补偿矢量相结合，就得到最后 的补偿电压矢量( comuα , comuβ )，可以对输出电压的 误差进行补偿，同时也可以改善低速轻载场合的输 出电流波形。 t dt dc 2 u + gau gau − real anu ideal ai real ai ai ae 图 4 零电流钳位现象原理图 Fig. 4 Zero-current clamping phenomenon 表 2 零电流钳位补偿电压 Tab. 2 Compensation voltage for zero-current clamping 相位 uαcom2 uβcom2 a *an au e− 0 b *bn b( ) / 2u e− − *bn b3( ) / 2u e− − c *cn c( ) / 2u e− − *cn c3( ) / 2u e− 3 实验结果分析 图 5 为采用上述死区补偿方案的感应电机矢量 控制系统框图，通过 11 kW 三相感应电机矢量控制 平台进行了验证，采用 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 芯片来实现，死区补偿算法如图 6 所示。三相 感应电动机的额定参数为 Pn=11 kW，Un=380 V， In=23 A，nn =1 460 r/min。DSP系统时钟设为150 MHz， PWM 调制频率为 8 kHz，死区时间设定为 3.2 µs， 功率模块采用 EUPEC 的 FP75R12KE3，电流信号 检测采用霍尔传感器 L18P50D15。 图 7 为电机工作在 1 Hz 时的空载电流实验波 形。其中，图 7(a)为未进行死区补偿的电流波形及 FFT 波形，可以看出电流波形有明显畸变，含有较 多 5 次和 7 次谐波，并且出现了明显的零电流钳位 现象，电流谐波含量约为 7.58%；图 7(b)为采用死 区补偿后的电流波形及 FFT 波形，电流波形的正弦 82 中 国 电 机 工 程 学 报 第 28 卷 度得到了明显改善，有效地消除了零电流钳位现象， 此时输出电流谐波含量约为 1.91%。 图 8 和图 9 分别为电机工作在 5 和 10 Hz 时死 区补偿前后的空载电流波形，可以看出采用死区补 偿方法后，输出电流波形得到了明显改善。 ai ci abc αβ αβ dq * di * qi * du * qu *uα *uβ 死区补偿 di qi eθ iα iβ comuα comuβ + + + + + +- - dcu * abcu M 图 5 具有死区补偿的感应电机矢量控制框图 Fig. 5 Vector controlled induction motor drive with proposed dead-time compensator 电流采样 坐标旋转变换 低通滤波 电流重构 电流极性判断 ( , )d q(a,b,c) 死区效应补偿 com1 com1( , )u uα β 零电流钳位补偿 com2 com2( , )u uα β 最终死区补偿 电压 om com( , )cu uα β + + ( , )d q (a,b,c) 图 6 死区补偿算法实现 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 Fig. 6 Block diagram of the proposed dead-time compensation algorithm t(200 ms/格) i(1 0 A /格 ) (a) 补偿之前波形 (b) 补偿之后波形 i(1 0 A /格 ) I( 2 A /格 ) I( 2 A /格 ) t(200 ms/格) f(5 Hz/格) f(5 Hz/格) 图 7 1 Hz 时空载电流波形及 FFT 波形 Fig. 7 Current waves with no load at 1 Hz t(40 ms/格) i(1 0 A /格 ) t(40 ms/格) i(1 0 A /格 ) (a) 补偿之前波形 (b) 补偿之后波形 图 8 5 Hz 时空载电流波形 Fig. 8 Current waves with no load at 5 Hz t(40 ms/格) i(1 0 A /格 ) t(40 ms/格) i(1 0 A /格 ) (a) 补偿之前波形 (b) 补偿之后波形 图 9 10 Hz 时空载电流波形 Fig. 9 Current waves with no load at 10 Hz 4 结论 提出了一种应用于感应电机矢量控制的电压 型 PWM 逆变器死区效应补偿方法。采用平均电压 补偿法在两相静止轴系中对死区误差电压进行了补 偿，通过将两相旋转轴系电流分量经过一阶低通滤 波器滤波后，再进行电流重构来判断电流极性。并 结合了一种零电流钳位现象消除策略，有效地消除 了电流过零点的钳位问题。通过 11 kW 感应电机矢 量控制系统验证了所提出的死区效应补偿方法的有 效性，获得了较理想的补偿效果。 参考文献 [1] Blaabjerg F，Pedersen J K，Thoegersen P．Improved modulation techniques for PWM-VSI drives[J] ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(1)：87-95． [2] 杨贵杰，孙立．空间矢量脉宽调制方法的研究[J]．中国电机工程学 报，2001，21(10)：79-83． Yang Guijie，Sun Li．Study on method of the space vector PWM [J]．Proceedings of the CSEE，2001，21(10)：79-83(in Chinese)． [3] Attaianese C，Nardi V，Tomasso G．A novel SVM strategy for VSI dead-time-effect reduction[J] ． IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(6)：1667-1674． [4] Sukegawa T，Kamiyama K，Mizuno K，et al．Fully digital， vector-controlled PWM VSI-Fed ac drives with an inverter dead-time compensation strategy[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics， 1991，27(3)：552-559． [5] Urasaki N，Senjyu T，Uezato K，et al．An adaptive dead-time compensation strategy for voltage source inverter fed motor drives [J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2005， 20(5)：1150-1160． [6] Kim HyunSoo，Moon HyungTae，Youn MyungJoong．On-line dead-time compensation method using disturbance observer[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(6)：1336-1345． 第 15 期 王高林等： 感应电机空间矢量 PWM 控制逆变器死区效应补偿 83 [7] 毛鸿，吴兆麟．基于三相 PWM 整流器的无死区空间矢量调制 策略[J]．中国电机工程学报，2001，21(11)：100-104． Mao Hong，Wu Zhaolin．The non-dead-time space-vector-modulation strategy based on three-phase PWM rectifiers[J]．Proceedings of the CSEE，2001，21(11)：100-104(in Chinese)． [8] Liu Y H，Chen C L．Novel dead time compensation method for induction motor drives using space vector modulation[J]． IEE Proc．-Electrical Power Applications，1998，145(4)：387-392． [9] 王家军，许镇琳，王豪，等．基于逆变器死区特性的永磁同步电 动机系统µ-修整变结构控制 [J]．中国电机工程学报，2003， 23(4)：148-152． Wang Jiajun，Xu Zhenlin，Wang Hao，et al．µ-modification variable structure control of PMSM system based on inverter dead-time [J]．Proceedings of the CSEE，2003，23(4)：148-152(in Chinese)． [10] 金舜，钟彦儒．一种新颖的同时考虑中点电位平衡和窄脉冲消 除及死区补偿的三电平空间电压矢量脉宽调制方法[J]．中国电 机工程学报，2005，25(6)：60-66． Jin Shun，Zhong Yanru．A novel three-level SVPWM algorithm considering neutral-point control and narrow-pulse elimination and dead-time compensation[J]． Proceedings of the CSEE， 2005， 25(6)： 60-66(in Chinese)． [11] 孙向东，钟彦儒．一种新颖的死区补偿时间测量方法[J]．中国 电机工程学报，2003，23(2)：103-107． Sun Xiangdong，Zhong Yanru．A novel measuring method for dead- time compensation[J]．Proceedings of the CSEE，2003，23(2)： 103-107(in Chinese)． [12] Munoz A R，Lipo T A．On-line dead-time compensation technique for open-loop PWM-VSI drives[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(4)：683-689． [13] 吴茂刚，赵荣祥，汤新舟．正弦和空间矢量 PWM 逆变器死区 效应分析与补偿[J]．中国电机工程学报，2006，26(12)：101-105． Wu Maogang，Zhao Rongxiang，Tang Xinzhou．Dead-time effects analysis and compensation of SPWM and SVPWM inverter [J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(12)：101-105(in Chinese)． [14] Summers T J，Betz R E．Dead-time issues in predictive current control [J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2004， 40(3)： 835-844． [15] Iimori K，Shinohara K，Yamamoto K．Study of dead time of PWM rectifier of voltage-source inverter without DC-link components and its operating characteristics of induction motor[J]. 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