永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真—逆變器的死區(qū)補(bǔ)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(shí)間；
• 功率器件的導(dǎo)通壓降；

其會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出電壓與PWM指令不相等。在電機(jī)低速工況時(shí)和高速六階梯波模式下，為了保證系統(tǒng)的性能，必須對(duì)PWM的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。特別是，當(dāng)電流的幅值幾乎為零時(shí)，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(shí)，逆變器理想輸出電壓與實(shí)際輸出電壓之差

電流流入時(shí)，逆變器理想輸出電壓與實(shí)際輸出電壓之差

02 死區(qū)補(bǔ)償方法

針對(duì)不同的應(yīng)用要求，死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，實(shí)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(shí)現(xiàn)的一種方法。

首先分析死區(qū)時(shí)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(shí)際輸出電壓之差

式中Td為死區(qū)時(shí)間，TPWM為PWM周期，Udc為直流電壓，Sign為符號(hào)函數(shù)，ix為電機(jī)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(gè)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(jì)算得到電壓誤差矢量

其導(dǎo)致的實(shí)際輸出電壓由V*s 變?yōu)閂s。

由于死區(qū)時(shí)間導(dǎo)致的實(shí)際輸出電壓

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

實(shí)現(xiàn)框圖如下：

死區(qū)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)框圖

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

03 HIL測(cè)試結(jié)果

搭建電機(jī)控制器桌面式HIL測(cè)試平臺(tái)，如下圖所示。包括：

上位機(jī)：在線參數(shù)修改，實(shí)時(shí)波形監(jiān)視與記錄；

示波器：波形顯示；

Performance實(shí)時(shí)仿真機(jī)（包含IO334 FPGA板卡和IO3XX-21數(shù)字?jǐn)U展板）：運(yùn)行被控對(duì)象模型。

Baseline實(shí)時(shí)仿真機(jī)（包含IO397 FPGA板卡）：運(yùn)行電機(jī)控制器模型。

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

旋變解碼卡：輸出旋變激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量PMSM的位置和速度。

電機(jī)控制器桌面式HIL測(cè)試平臺(tái)

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

電流波形（無(wú)死區(qū)補(bǔ)償算法）

電流波形（有死區(qū)補(bǔ)償算法）