变频系统死区效应分析及补偿

第六章变频系统死区效应分析及补偿
6.1 死区效应原理
在理想情况下，每个桥臂的上下两个开关器件严格轮流导通和关断。

但实际情况是，每个器件的通、断都需要一定的时间，尤其是关断时间比导通时间更长。

在关断过程中，如果截止的器件立即导通，必然引起桥臂短路。

为了防止这种情况发生，必须在驱动信号中引入一段死区时间T d。

在此时间内，桥臂上下开关器件都没有触发信号，该桥臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。

死区时间的引入使得逆变器主电路不能精确再现由PWM发生器所产生的理想PWM波形，影响了PWM方案的应用效果，这些影响统称为死区效应。

死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。

死区时间的设置方式有两种：
（1）单边不对称设置
欲关断的功率管与理想波形同时关断，欲开通的功率管延迟T d后开通。

（2）双边对称设置
欲关断的功率管比理想波形提前T d/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟T d/2开通。

利用逆变器中一个桥臂来说明死区效应的产生，规定电流从逆变器流向电机为参考方向的正方向，电流从电机流向逆变器时电流为负。

当电机电流为正时，在死区时间内，上下桥臂两个功率管均不导通，由于电机为一感性负载，因此电流不会突变，那么电机电流就通过和下桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，则输出电压被钳位在-U d/2（U d位直流电源电压）；反之，当电机电流为负时，电机电流则通过和上桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，输出电压被钳位在+ U d/2。

这样，实际输出电压U与理想输出电压U*之间就存在着误差电压△U=U-U*。

这个误差电压脉冲的极性与输出电流的极性相反，当电流大于零时△U= -U d，当电流小于零时△U= U d，其宽
度等于死区时间。

而且随着载波频率的提高，误差电压脉冲出现的次数也随之提高，虽然死区时间很短，单个误差电压脉冲不足以影响系统的性能，但持续考虑半个周期的情况便可得知，其累计效应足以使定子电压波形畸变。

误差电压与理想电压、实际电压的定性关系如图4.1所示：
图6.1 死区对输出电压的影响
6.2 死区效应对PWM 变频器的影响
6.2.1 死区对输出电压基波的影响
为了讨论死区对变频器输出电压的影响，设定图4.1中的偏差电压为U ef ，它与每个周期高为U s 的矩形电压脉冲相等效。

由1ef d s T N U T U 22
，可得： d s ef 1
T U N U =T （6.1） 式中 T 1——变频器输出电压基波周期
N ——载波比
T d ——死区时间
根据傅氏级数分析可得偏差电压U ef 的基波分量幅值为：
d s ef-1ef 1T U N U U T π
π== （6.2） 上式表明，在一定的直流侧电压与变压变频其输出频率下，偏差电压基波值与死区时间T d 和载波比N 的乘积成正比，而这两个量与变频器所采用的开关器件有关。

前面已经分析过，死区所产生的偏差电压U ef 始终与变频器输出电流相反。

当功率因数角为ψ时，理想基波为：A0111u =A sin t ω，
由死区产生的偏差电压基波为：ef,121u =-A sin(t-)ωψ
式中，A 1和A 2分别为基波幅值和死区基波电压偏差的幅值。

A 1与矩形脉冲的起始
角、终止角有关；A 2即位式6.2所示。

（1） 死区形成的偏差电压使实际输出的基波电压在相位和大小上与理想输出
的基波有所不同。

只要存在电流的滞后功率因数角，其相位一定超前于理想基波电压，而幅值则与功率因数角的大小有关。

（2） 当功率因数角ψ=0时，死区的影响最大。

（3） 死区越大，对变频器基波输出的影响也越大，且呈线性关系。

（4） 随着变频器输出频率的降低（或者调制度M 的减小），死区的影响也越大。

6.2.2 死区对输出谐波的影响
对于理想PWM 变频器而言，其输出波形中不存在低次谐波分量，只有少量的与载波比有关的谐波，但由于死区时间的引入，引入了丰富的低次谐波，主要是6m 1±次谐波，特别是5、7、11、13等一些低次谐波的存在，会使得输出电压波形发生很大的畸变，低次谐波的幅值随死区时间的增加而线性增加，这些将引起输出电压波形的畸变，并最终导致电机电磁转矩脉动量的增加。

（1） 死区时间T d =0
d ；由于d T 0≠，实际出电压幅值为1d A U ；
（2） 电压幅值随着功率角的变化而变化。

当ψ=0时，基波幅值A 1取极小值，1min d A =M NfT 2π
-；
当2π
ψ=时，基波幅值A 1取极大值，1max A =[）2+ d ）2]1/2 提高调制比可以改善输出电压的波形，抑制谐波，但随着N 的增大，输出电压的基波下降更加严重，这样将导致电动机的损耗增大。

6.2.3 死区对输出转矩的影响
死区时间不仅对逆变器输出的基波电压、低次谐波有影响，对逆变器的输出转矩也有影响。

当控制器压频比恒定时，输出转矩正比于输出基波电压的平方。

设死区效应的影响是的输出电压的误差为△U ，则转矩为：
q q0U T T (1+2)U *
∆≈ （6.4） 其中，q T ∝U *2，为无死区时间正比于输出电压基波平方的电机输出转矩。

q q q0q0U T T T 2T U*
∆∆=-= （6.5） 根据上式可以看出，当理想输出电压U *较大时，U
U*∆相对较小，可以忽略；而当电机低速运行时，U *较小，U
U*∆相对较大，这时死区效应会引起较
大的转矩误差。

综上所述，死区的存在使得输出基波电压下降，相位发生变化，低次谐波增加。

特别当输出电压或频率很低的情况下，这种影响将会变得十分严重，定子铜耗、铁耗显著增加，转决脉动还会导致调速系统的不稳定，由于该系统经常运行在低频状态，因此必须采取一定的补偿措施来消除死区效应的影响。

6.3 死区补偿
死区处于认为因素不能消除，只能用其他方法加以补偿。

对死去的补偿结果直接影响到调速系统的性能。

国内外学者提出了多种死区补偿方案，主要有两个方向：一种是硬件补偿法，另一种是软件补偿法。

硬件补偿法需要增加额外的硬件电路，通过输出实际电压和电压参考值的比较得到所需要的补偿电压信号。

常见的方法主要有电压反馈型补偿和电流反馈型补偿。

(1) 电压反馈型补偿法先检测出系统逆变单元的实际输出电压，然后与指令电压相比较，其差值作为补偿量叠加到指令电压上作为新指令。

由于偏差电压是直接检测而不是估计的，并且对输出电压来讲具有准闭环控制的思想，因此原则上能够消除由环内的逆变单元所引起的任何输出电压和指令电压的误差(包括器件的开关死区时间)，并且不受负载电流变化的影响，具有很好的补偿效果。

电压反馈型补偿方案的最大缺点是：结构过于复杂，不仅需要附加的电压检测电路，而且由于死区时间数值非常小，要求电压检测环节的检测精度足够高，并且没有时间滞后才能保证良好的补偿效果。

如果用数字化方法实现，不仅算法复杂，而且对数据处理的速度要求很高，因此实际系统中较少采用此法。

(2) 电流反馈型补偿法利用滤除高频分量后的偏差方波电压与电流的极性有
非常明确的对应关系的特点：方波的幅值可以预先估计并且基本保持不变，因此只要能够适时检测出三相电流的极性，即可得到合适的补偿电压。

电流反馈型补偿的唯一依据是电机定子相电流的极性。

一般的变频调速系统都设置有电流检测电路，检测电流极性不需要额外增加硬件，因此结构比较简单，这使得电流反馈法死区时间补偿比电压反馈法死区时间补偿方案具有更大的实用价值。

如果所检测的定子电流无误差并且无时间上的滞后，则从理论上讲可以得到令人满意的补偿效果。

但在实际系统中，不可能实现这种无差的电流检测。

这不仅表现在电机定子电流中含有大量的高频分量，而且对检测信号的滤波环节必然会引起检测信号的滞后，它们都会对死区时间的补偿效果有一定的影响。

另外，这种方法的最大问题是补偿效果受电流检测精度的影响较大，电流的过零点是补偿方波电压反转极性的位置；因此，如果电流过零点的检测存在偏差则不仅不能正确补偿死区时间的影响，相反会在此点加大输出电压的偏差。

软件补偿法是采用纯软件的方法，在电机的控制程序中加入死区补偿的算法。

这类补偿算法也可以称之为死区时间补偿法，常见的有如下四种。

(1)电压输出时间补偿法，以瞬时平均电压理论为基础，在每个载波周期内对输出电压的平均误差进行补偿，人为地加入死区补偿时间使输出电压的更接近于理想状态时的电压。

此方法简单、易实现、可行性强，但需要检测电流的极性，故需在硬件上增加一个电流检测传感器。

此方案的关键在于如何能准确地检测出电流过零点时的极性。

(2)旋转坐标补偿法，是利用参考电流i
d *和i
q
*代替实际电流i
d
和i
q
，再将参考
电流通过d—q坐标系变换到静止坐标系中得到电流矢量[i
d * i
q
*]；然后在静止坐
标系中通过坐标变换将二相电流转换位三相电流，根据每一相电流方向判断出所需的每相补偿电压的极性，而补偿电压幅值的大小等于误差电压的平均值。

在求出每相补偿电压后，将其经过坐标反变换，得到d-q坐标系中的补偿矢量，由补偿矢量的表达式设计出补偿电压的算法。

(3)基于脉冲的死区时间补偿法，是通过调整对称的PWM脉冲来修正输出电压的畸变。

也就是通过修正调制比改变脉冲宽度，来补偿脉冲畸变时间。

具体做法是，在脉冲产生畸变之前加入死区补偿时间，使补偿后的脉冲在脉宽和相位上完全接近或达到理想状态下的波形。

这种方法精确度高，能使逆变器的输出电压在幅值和相位上基本上无误差，并且与工作频率、载波频率和负载都无关，只与电流的极性有关。

(4)预测电流控制法，是将预测控制用于对电压型逆变器的控制。

其基本思路是运用预测控制理论，在第k个采样时刻根据所检测到的负载电流及补偿器输出电流，根据电动机的数学模型以及下一个开关周期k+1时刻的期望电流，计算出符合电流变化的输出电压矢量；然后在PWM中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，从而迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪下一个时刻参考电流，达到跟踪输出电流的目的。

即利用当前己知状态、电机模型和下一步参考电流，预测使电机电流在第k+1时刻达到期望电流时所需的电压，用PWM方法施加在逆变器上，使期望实际电流在k+1步达到期望值。

6.4 基于TMS320LF2407A的死区效应补偿
TMS320LF2407A提供了一个可连续、双向计数的定时器，同时这个定时器还具有CMPR1,2,3的三个定时比较单元。

当定时器的计数值与定时比较单元的设定值匹配时，即引起对应的PWM输出引脚的输出状态变化(PWM1,3,5或PWM2,4,6)。

在每个电流采样周期按SPWM控制原理更新CMPR1,2,3的设定值，并将其写入对应的寄存器，即可实现变频控制。

TMS320LF2407A作为电机控制专用芯片，在T
d
的设置上．只需通过DBTCON寄存器编程即可设置死区互锁时间。

当内部时钟周期为50ns时，的设置范围为0～102．4μs，完全可满足各类功率器件的要求。

但T d的设置同样会对逆变器和伺服系统的性能造成不良影响，因而必须对死区效应加以补偿。

为得到有效补偿方法．先介绍TMS320F2407A生成PWM波的方法。

文中的SPWM的基本工作原理是：通过TMS320F2407A的通用定时器TIMER1。

产生一定周期的三角波载波，再通过设置全比较单元的l6位寄存器CMPR1,2,3的值使之在相应时刻产生PWM波输出电平的跳变，从而获得6路PWM波。

通过改变CMPRX=l,2,3)的值，即可改变所产生的PWM波形。

由上述PWM波产生原理可见，将死区时间经过折算后与CMPRX值进行加减(加或减由计算时刻的电流极性决定)，即可改变PWM波输出的电平跳变时刻，获得加入死区补偿后的PWM波．最终起到补偿逆变器死区效应的作用。

图4.2所示为死区补偿补偿方法的原理，其中W
a 为逆变器A相功率管VG
1
输出的理
想PWM波形；W
ad 为带死区的PWM波形；U
a
为考虑死区影响的A相实际输出相电压波
形。

然后根据系统主电路图和死区效应原理进行反推，从而得到死区补偿后逆变
器A相功率管输出的理想PWM波形W
a /和带死区的PWM波形W
ad
/。

只要根据图4.2所示
补偿后逆变器输出的带死区的PWM波形及电流极性来修改CMPRX的值，即可获得理想的PWM输出信号，从而起到消除死区效应的作用。

图 6.2 死区补偿原理图
通过比较补偿前、后逆变器的带死区的PWM波形W
ad 和W
ad
/可以看出，当i
a
>0时，
补偿后逆变器输出的PWM波占空比要比补偿前的大，而且只需修正PWM前沿；当i
a
<0时，补偿后逆变器输出的PWM波占空比要比补偿前的小，而且只需修正PWM后沿。

对此，利用TMS320LF2407A通用定时器允许周期中断修改PWM的后沿，允许下溢出中断修改PWM波的前沿，从而实现死区效应的软件补偿。

由上述方法可见，提出的死区效应补偿方法是一种软件补偿方法，它可能很好地解决控制滞后问题，而无需增加任何硬件，实现起来较容易，只需适当修正控制系统软件，即可消除死区效应的影响，但因该方法要求精确检测电流极性，因而会受电流检测精度的影响。

不过，该问题可通过适当提高A/D模块转换精度及加入滤波环节予以解决。