交流伺服系统中的死区效应分析与补偿

从式 ( 3) 可以看出由死区效应造成的电压畸 变只叠加了基波和奇次谐波分量 , 并且不含有 3 , 9, … 次谐波 . 补偿时 , 高次谐波分量幅值很小可以 忽略 , 只需要补偿 1 , 5 , 7 次谐波分量即可 .
3 仿真及实验结果
基于以上对死区效应及其补偿方法的分析 , 用 saber 软件对 PMSM 转子磁场定向的矢量控 制系统进行仿真 . 仿真中 , 给定转速为 60 r/ min , 负载为 2 N ・m . 图 5 为死区补偿前后力矩电流 i q , 励磁电流 i d , 线电压 uab 和 u bc , 相电流 i a 和 i b
功率器件由于其存储效应存在关断延时 , 为 了避免同一桥臂的上下两个开关管发生直通 , 必 须在每个开关管的开通和关断信号之间设置一个 死区时 间 , 它 的 存 在 使 得 逆 变 器 实 际 输 出 的 PWM 波形并不等效于理想的正弦波形 , 导致电 流、 磁链跟踪性能变差 , 电磁转矩产生脉动 [ 1～10 ] . 一般的死区补偿方法都是基于三相静止坐标系 , 根据三相电流的极性得到三相补偿电压 , 然后分 别累加到给定电压上 [ 1 ,2 ] . 文献 [ 3 ] 提出一种在线 死区补偿方法 : 基于死区效应造成输出电压偏低 , 取给定电压和实际电压的差值作为电压补偿量去 补偿下次的给定电压 ; 文献 [ 5 ] 中提出一种根据电
Analysis and compensation of dead2time effect in AC servo systems
Qi n H ai t ao S hen A nw en Z han g Qi ao Z hu Qi n g
( Depart ment of Co nt rol Science and Engineering , Huazhong U niversity of Science and Technology , Wuhan 430074 , China)
收稿日期 : 2009201204.
流极性实时地改变调制脉宽的方法 . 上述方法均 得到了很好的死区补偿效果 , 但是都增加了硬件 和软件的难度 ,实用性受到了限制 . 本文提出了一 种基于两相静止坐标系下的死区补偿方法 , 根据 电流矢量的相位给出补偿算法 , 不需要增加额外 的硬件 ,算法简单 ,易于实现 .
Abstract : Analyzed were t he reaso n why t he dead2time effect rises in t he inverter and how it influences t he co nt rol effect s of alternating current ( AC) servo systems. It is fo und o ut t hat t he key point of t he dead time co mpensatio n is o btaining t he current angle. In o rder to overco me t he f uzzy of t he current zero point in t he real system , a met hod based o n a feed2forward app roach t hat p roduces co mpensating signal by use t he angle of t he current vector in t he is p ropo sed. By apply t he Fo urier t ransform ( FF T) to t he co mpensating voltage in o ne period of t he t hree p hase o utp ut current , t he dead time effect s is e2 liminated by co mpensate t he 1 , 5 , 7 harmo nic co mpo nent s o nly. The experimental result s show t he effectiveness of t he met hod. Key words : permanent magnet synchro no us motor ( PMSM ) ; space vector p ul se widt h moderate ; AC2 servo ; dead2time co mpensatio n ; current vecto r angle ; error voltage vector
Δ ΔUαco s ( n φ) dφ = 8 U d ・ π 0 π 3 π π 1 π 1 n n 5n sin + sin + sin 2 6 2 2 6 ( n = 1 ,2 , … ); π π 8ΔU d n 5n co s - co s bn = π 6 6 3 an =
2
∫
( n = 1 ,2 , … ) ,
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华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自然科学版)
第 37 卷
有低次谐波 , 从而使系统产生转矩脉动和速度的 波动 .
2 死区补偿方法
图1 逆变器的一相开关电路
通 ,下管 T - 关断 : 在死区时间和上管完全开通 前 ,电流都从续流二极管 D - 中流过 , 那么此期间 a 点电压由于 D 的导通被钳位在 - U dc / 2 ; 直到 死区时间结束上管开通 , 电流才从 T + 中流过 , 真 实的输出电压误差时间为 td + ton , 其中 : ton 是绝缘 栅双极晶体管的开通时延 ; td 为死区时间 . 如果此时上管 T + 关断 , 下管 T - 开通 :在 T + 完全关断前 , 电流仍然从 T + 流过 , 完全关断后 , 电流从 D - 流过 , 那么输出电压误差时间为 t of f , 这里 t of f 是 I GB T 的关断时延 .
图3 误差电压矢量 图4 电流矢量相位
由于补偿电压的周期性以及奇偶性 , 利用傅 里叶变换化简α和β坐标系下的补偿电压
∞
ΔUα =
图2 逆变器一相的驱动信号和输出电压
n=1
φ) ; ∑a co s ( n
n
∞
( 2)
n
关延时的实际驱动信号 ; ( c ) 实际的输出电压 . 从 图 2 可以看出 , 一个开关周期内每相桥臂切换两 次 , 实际输出电压和理想电压之间的差值定义为 平均误差电压 δU =
覃海涛 沈安文 张 侨 祝 庆
( 华中科技大学 控制科学与工程系 , 湖北 武汉 430074)
摘要 : 分析了逆变器的死区效应产生的原因及其对交流伺服系统控制性能产生的影响 ,指出死区补偿的关键 在于电流相位的获取 ,为了克服实际系统中电流零点的模糊性 ,提出了一种基于两相静止坐标系下的前馈死 区补偿方法 . 该方法通过对三相输出电流一个周期内补偿电压进行傅里叶变换 ,发现仅需补偿 1 ,5 ,7 次谐波 分量即可消除死区效应 . 仿真和试验结果验证了这种方法的正确性和可行性 . 关 键 词 : 永磁同步电机 ; 空间矢量脉宽调制 ; 交流伺服 ; 死区补偿 ; 电流矢量角 ; 误差电压矢量 中图分类号 : TM341 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 ( 2009) 0820069204
带入式 ( 2) , 有
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第8期
覃海涛等 : 交流伺服系统中的死区效应分析与补偿
图6 死区补偿前和补偿后相电流
图 7 死区补偿前和补偿后的速度 v 波形 图 5 死区补偿前后波形
( 虚线为补偿前 , 实线为补偿后)
参
考
文
献
[ 1 ] J eong Seunggi , Park Minho . The analysis and com2 pensatio n of dead2time effect s in PWM inverters [J ] . Indust rial Applicatio ns , IEEE Transactions , 1991 , 38 ( 2) : 1082114. [ 2 ] Sukegawa T. Fully digital , vecto r co nt rolled PWM VSI2fed AC drives wit h an inverter dead2time com2 pensatio n st rategy [ J ] . Indust ry Applications , IEEE Transactions , 1991 , 27 (3) : 5522559. [ 3 ] Hyunsoo Kim. On line dead time compensatio n met h2 od using dist urbance observer[J ] . Power Elect ro nics , IEEE Transactio ns , 2003 , 18 ( 6) : 1 33621 345. [ 4 ] 王高林 ,于 永 . 感应电机空间矢量 PWM 控制逆变
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ΔUα = ( 4/π)ΔU d ( co s φ + ); co s ( 5φ / 5) - co s ( 7φ / 7) + … ΔUβ = ( 4/π)ΔU d ( sin φ
). sin ( 5φ / 5 ) - sin ( 7φ / 7) + …
( 3)
速度波形 . 可以看出 , 死区补偿之后的电流正弦性 较好 , 消除了由死区效应造成的零电平钳位现象 , 速度波动幅度减小 .
w d t +θ ,ω 为电流矢量的旋转角速度 . 对 ∫
e e
通 ,下管 T - 关断 ,在 T - 完全关断前 ,电流仍然从 T - 流过 ,完全关断后电流从 D + 流过 , 那么输出电 压误差时间为 toff ; 如果此时上管 T + 关断 , 下管
T - 开通 ,在死区时间和下管完全开通前 , 电流都
b. 当电流 i a 为负向时 : 如果此时上管 T + 开
前馈死区补偿的原理就是生成一个与误差电 压大小相同 、 方向相反的补偿电压来抵消或削弱 误差电压的影响 . 由于误差电压方向由电流极性 决定 , 利用相电流极性和式 ( 1 ) 给出相补偿电压 , 将此补偿电压累加到输出电压矢量上即可实现补 偿 . 这里要求能够非常准确地判断电流的零点 , 而 对于实际系统较难做到 , 并且电流在零点处的模 糊性还会造成补偿效果的恶化 . 基于此 , 本文提出 了一种基于两相静止坐标系下的死区补偿方法 : 仅根据电流矢量相位得到α和β坐标系下的补偿 电压 . 误差电压由电流极性决定 , 三相电流不同的 极性组合对应不同的误差电压 . 图 3 为对应的补偿电压矢量图 , 可以看出误 差电压矢量为正六边形而非圆 . 空间坐标系下的 电流矢量如图 4 所示 , 可知电流矢量的相位为 : φ=
1 死区效应分析
图 1 为三相逆变器中的一相 , 定义相电流 i a 极性以流向负载为正 . a . 当电流 i a 为正向时 : 如果此时上管 T + 开
作者简介 : 覃海涛 ( 19842) ,男 ,博士研究生 , E2mail : htqsunny @163. com © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第37卷 第8期 2009年 8月
华 中 科 技 大 学 学 报 ( 自然科学版) J . Huazhong U niv. of Sci. & Tech. ( Nat ural Science Editio n)
Vol. 37 No . 8 Aug. 2009
交流伺服系统中的死区效应分析与补偿
从 D + 流过 , 那么此期间 a 点电压由于 D + 的导通 被钳位在 + U dc / 2 , 故输出电压误差时间为 td +
ton .
永磁同步电机来说 , 多采用基于转子磁场定向的 矢量控制 , 此时控制 I d = 0 实现解耦 , 故可认为 θ= 90° .
完整的逆变器一相驱动信号和输出电压关系 如图 2 所示 : ( a) 理想驱动信号 ; ( b) 考虑死区和开
- ΔU d + ΔU d ( i a > 0) ; ( i a < 0) ,
ΔUβ = 式中 :
π
n=1
φ) , ∑b sin ( n
( 1)
δT/ T s ) U dc δ 式中 :ΔU d = ( , T = td + ton - toff ; T s 为 逆变周期 . 从式 ( 1) 可以看出 , 死区时间 td 最直接的影 响就是使输出电压出现了畸变 , 导致输出电流含