第４４卷 第１２期 ２０１１芷 截＇Ｉ｝机 ＭＩＣＲ０ＭＯＴＯＲＳ Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２Ｏｌｌ ｌ２月 永磁同步伺服控制系统死区效应补偿方法 刘 超，张摘军，刘世俊，葛 悦 ２０１１０８） （上海宇航系统工程研究所上海市空间飞行器机构重点实验室，上海要：对永磁同步电动机控制系统逆变开关的死区效应进行分析。利用平均电压误差补偿法来补偿死区效应，并 针对电流零位钳位现象，对平均误差电压补偿法进行改进，采用交、直轴电压来判断定子电流扇区并选择误差补偿 电压分量的方法来补偿死区效应产生的定子电流畸变。 关键词：永磁同步电动机；逆变器；死区效应补偿 中图分类号：ＴＭ３４１；ＴＭ３５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—６８４８（２０１１）１２－Ｏ０６０—０４ Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ＰＭＳＭ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｃｈａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＬＩＵ Ｓｈｉ－ｊｕｎ，ＧＥ Ｙｕｅ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＳｐａｃｅｃｒａ￣Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１１０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ａｖｅｒａｇｅ ｅｒｒｏｒ ｖｏｌｔ－ ａｇｅ．Ｔｈｅ ｄ—ａｘｉｓ（ｄｉｒｅｃｔ）ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｑ－ａｘｉｓ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）ｖｏｌｔａｇｅ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｅｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃａｕｓｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ０ 引 言 对于低速大力矩的永磁同步伺服电动机控制系 统，在低速运行时的力矩平稳性能是衡量系统是否 优秀的重要指标。假设永磁同步伺服电动机的反电 势为理想的正弦波、逆变器具有理想的开关特性， 此时控制逆变器的开关状态，可以使定子电压形成 正弦波或者马鞍形波形，进而控制定子电流形成理 流波形畸变和输出转矩的波动，直接影响了低速运 行状态下永磁同步伺服电动机系统的性能 ＿３Ｊ。目 前对于死区效应的补偿方法主要有两种，一种是基 于平均误差电压补偿法，这种方法的优点是易于实 现，缺点是对扇区判断不准确而引起对输出电压的 误补偿。另一种方法是通过对时间来进行补偿，通 过改变开关管的导通时间来达到精确的补偿死区效 应的目的，但这种方法需要精确计算导通的时间， 在工程上难以实现 。 想的正弦波，从而获得恒定的输出转矩…。 但在实际情况中，逆变开关具有一定的开通和 关断时间，并且开通时间小于关断时间，为避免同 相桥臂的上下管同时导通而引发短路故障，通常会 将逆变器开关延时一段时间开通，这个时间就是死 本文在永磁同步电动机矢量控制系统的基础上， 分析了逆变开关死区效应和这种死区效应引起的定 子电压和电流的畸变，采用了平均电压误差补偿法 进行死区效应补偿，并针对电流零位钳位现象，利 区时间。逆变开关死区时间的存在使得逆变器的实 用坐标变换的基本原理，利用交直轴电流来判断定 子电流所在扇区，从而选择相应误差补偿电压分量 际电压输出波形产生畸变，进而引发电动机定子电 收稿日期：２０１ｌ—ｏ４一ｏ７ 基金项目：上海市科委资助（１０ＸＤ１４２２９００） 作者简介：刘 超（１９８５），男，助理工程师，研究方向为永磁伺服电动机设计及伺服电机驱动控制。 张军（１９６６），男，高级工程师，研究方向为空间电子设备设计。 刘世俊（１９８５），男，助理工程师，研究方向为嵌入式软件设计及电力电子技术。 葛悦（１９８０），女，工程师，研究方向为电动机驱动控制及空间电子设备设计。 １２期 刘超等：永磁同步伺服控制系统死区效应补偿方法 ・６ｌ・ 方法来补偿死区效应产生的电压畸变。 由图２可以看出，误差电压由一组幅值为 ， 宽度为ｔ 的脉冲组成，脉冲的极性于对应时刻电流 １死区效应分析 永磁同步伺服电动机控制系统是一个矢量控制 的极性相反。死区效应产生的一系列脉冲使得输出 电压与期望输出电压存在偏差，引发定子绕组电流 系统，基本原理是建立在坐标变换基础上，对旋转 坐标系中的直轴和交轴分量分别控制，从而达到既 控制定子电流的幅值，又控制其相位的目的。 因永磁同步电动机三相对称，取一相桥臂进行 分析，设死区时间长度为ｔ ，图１为三相逆变器中 的畸变，降低系统控制精度；同时，还会导致零电 流箝位现象，使输出转矩发生波动。 若用绕组电流一个周期内的方波来等效这些误 差电压脉冲，假定电压偏差在时间上是等距的，则 可以表示为 的Ａ相桥臂。 （ａ）ｆ。＞Ｏ （ｂ）Ｉ ＜Ｏ 图ｌ三相逆变器Ａ相结构 假设电流流人电机绕组的方向为正。因为电机 绕组中含有感性分量，电机绕组中的电流不会突变， 当ｉ。＞０时，绕组中的电流通过二极管Ｄ 来续流， 则在死区时间ｔ 内Ａ相端电压被箝位在一 ／２，相 当于在理想输出电压上施加一个幅值为 、时间长 度为ｔ 的负脉冲电压；相应的，当ｉ ＜０时，电流 通过二极管Ｄ 来续流，死区时间ｔ 内Ａ相端电压 被箝位在 ／２，相当于在理想输出电压上施加了一 个幅值为 、时间长度为ｔ 的正脉冲电压。图２为 图２死区效应对逆变器输出电压的影响 Ｕ，ｔ， Ｕｏ ＝ ＝ （１） 』１ 式中， 为调制周期， 为基波频率，Ｔ１＝１ 。 由式（１）可以看出误差电压与基波频率和死区 时间成正比，与期望输出电压无关。这样逆变器的 输出电压相当于在期望输出电压上叠加了一个方波。 当平均误差电压的幅值远小于实际输出电压的 幅值时，对控制系统的影响也很小。但其幅值若相 对于实际输出电压幅值的比值很大时，将会使系统 出现很大的波动，影响整个系统的控制精度。 ２死区效应的补偿方法 将一相分析扩展到三相，每一相都可将误差脉 冲等效为１８０。导通的方波，对于三相互差１２０。电角 度的定子电流，这样就在电机绕组中产生６个误差 电压矢量，通过坐标变换可以获得两相静止坐标系 下的误差电压。误差电压矢量的方向由三相电流的 极性决定，定义电机电流流人电机绕组方向为正， 则可将两相静止坐标系分成六个扇区，这六个扇区 是按照三相电机定子电流的极性划分的。图３为误 差电压矢量与扇区关系。 Ａ △Ｕ ｌ ＼＼／，， 、、 －、＼２夕／ 区／／ 自 、 、 ，， △ △ 一 ‘ ’， ‘～，，、、 ／／ ５扇馐 ６螭区 、、、、 、、 △ 。 △Ｕ Ｉ 图３误差电压矢量与扇区关系 平均电压误差补偿法来补偿死区效应，可以根 据电流极性产生一个与误差电压矢量大小相等而方 向相反的电压矢量，来抵消死区畸变电压的影响。 这种死区效应补偿方法依赖于对电流极性的准确判 ・６２・ ＇Ｉ｝籼 ４４卷 断。在永磁同步伺服电动机控制系统中都会存在电 流检测元件，但是这种电流检测电路由电流传感器、 两相坐标系，来补偿死区效应产生的误差脉冲。图 ５为死区补偿模块。 低通滤波器和Ａ／Ｄ电路构成，还需要必要的软件滤 波环节，这些都会出现检测出多个过零点的现象。 同时，死区效应产生的零电流箝位现象也影响对定 子电流所在扇区的判断。特别是在低速轻载运行时， 若电流检测会出现多个零电流点，将不能准确判断 电流极性而导致误补偿现象的出现，引起更大的电 流畸变。 图５死区补偿模块 图４为定子电流矢量于静止和旋转坐标系之间 选取永磁同步电动机仿真模型参数如下：Ｒ＝ 的角度关系，电机的直轴和交轴电流ｉ ｉ。是缓慢 变化的直流量，可由滤除高次谐波后的ｉ 。来判 断三相定子电流极性。依据ｉ ｉ。可以计算出电流 矢量ｉ 与ｄ轴夹角 ，加上电机位置角度 就是死 区补偿算法中电流矢量的角度。对于ｉ ＝０控制，实 际上电流矢量就位于９轴，即 ＝ 。则其与ａ轴 二 的角度可以表示为 ＋ ｑ－ｆ，根据电流矢量角度，并 二 由表１来补偿电压矢量。 ｌ Ｉ。 ／ ｄ． 图４电流矢量角度 表１误差补偿矢量与扇区对应关系 ３仿真分析与实验结果 根据永磁同步伺服电动机矢量控制系统基本原 理在Ｍａｆｌａｂ中建立仿真模型，如图５所示。ＳＶＰＷＭ 模块产生信号的死区依靠Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｏｎ／Ｏｆｆ Ｄｅｌａｙ模块 来产生。死区补偿模块通过转子位置角来判断电流 所在的扇区，利用ｓ函数可以通过扇区来选择补偿 的电压矢量，并通过坐标变换将其分别施加于定子 ５．４６ Ｑ，Ｌｄ＝Ｌｑ＝６．３５×１０一Ｈ， ｆ＝０．１７５ Ｗｂ， Ｊ＝１．０２×１０～ｋｇ・ｒｌｌ ，粘滞摩擦系数Ｂ＝０．０００１ Ｎｍｓ，极对数Ｐ ＝４，额定转速 ＝２００ ｒ／ｍｉｎ，逆 变器开关频率为１０ ｋＨｚ。图６为未经过死区补偿的 三相定子电流波形，图７为经过死区效应补偿的三 相定子电流波形，从仿真结果可见，死区效应能够 引起定子电流产生明显的畸变，并在电流过零点处 出现电流箝位现象。而经过平均电压误差补偿法对 死区效应进行补偿后能够有效的消除定子电流波形 的畸变。在一定程度上能够有效的补偿死区效应引 起的电流畸变。 图６不带死区补偿的ＰＭＳＭ三相定子电流 图７包含死区补偿的ＰＭＳＭ三相定子电流 利用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２搭建永磁同步伺服电动机矢 量控制平台。电动机的额定电压为５Ｏ Ｖ；额定电流 为１５ Ａ；每相定子电阻为６．４ Ｑ；额定转速为４０ ｒ／ｒａｉｎ；连续堵转力矩≥６０ Ｎｍ，峰值堵转力矩≥ ２００ Ｎｍ。 对于永磁同步伺服电动机控制系统，死区时间 的加入势必会引起定子电流的畸变，尤其对于长期 工作在０．５～５ ｒ／ｍｉｎ的低速状态，死区效应更加明 １２期 刘超等：永磁同步伺服控制系统死区效应补偿方法 ・６＿３・ 显。因此首先需要对死区效应进行补偿。图８、图９ 分别为轻载状态下、给定转速为５ ｒ／ｍｉｎ时未进行死 区补偿和进行死区补偿后的Ａ相定子电流波形。由 ４ 结 论 本文对永磁同步电动机矢量控制系统的逆变开 图中可以看出，平均电压误差矢量补偿法在一定程 度上能够补偿因死区带来的电流畸变。 关的死区效应进行了分析，并根据死区效应采用平 均电压误差矢量补偿方法来削弱死区畸变电压的影 响。利用坐标变换的基本原理，采用交直轴电流来 判断定子电流所在的扇区选择相应的误差补偿电压 分量补偿死区效应对永磁同步伺服电动机控制系统 ～ 、￣ ｍ Ｉ、 １ ．， ｊ ｝一， ‘０ ｆ／ ■｛ 曲 赫■ ｜ ＼ ｆ ｌ 的影响。 参考文献 ［１］孙立志．ＰＷＭ与数字化电动机控制技术应用［Ｍ］．北京：中国 电力出版社，２００８：１８２—１９０． ［２］ 吴茂刚，赵荣祥，汤新舟．正弦化和空间矢量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 —揩铺 － 憾 图８未进行死区补偿Ａ相定子电流波形 １０５． ［３］ 刘栋良，贺益康．交流伺服系统逆变器死区效应分析与补偿新 ， ｉ Ｊ ｆ ｜ ， ｊ 方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（２１）：４６—４９． ≮ 二／ 揩皇ＩＩ 蛐 ■ 、 ■ｌ ｆＩｌＩ 曲■ ［４］ Ｓｅｕｎｇ Ｇｉ Ｊｅｏｎｇ，Ｍｉｎ－Ｈｏ Ｐａｒｋ．Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ＰＷＭ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＩｎｄｕｓｔｒｉＭ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９１，３８（２）：１０８—１１４． 图９死区补偿后Ａ相定子电流波形 ［５］ 刘军锋，李叶松．死区对电压型逆变器输出误差的影响及其补 偿［Ｊ］．电工技术学报，２００７，２２（５）：１１７—１２２． （上接第４０页） ３．３改进调压电路后电磁敏感性试验 在发电机控制器调压电路的基准电压源电路中增加 一此次试验在发电机控制器电磁敏感性试验的基 础上采取了若干措施：在做ＣＳ１０６项目时，将发电 机控制器的普通电连接器换为滤波电连接器，对基 准电压源的输出靠近比较器同相端的部位增加一个 小电容，其电容值为６００ ｐＦ级。在做１０ ｋＨｚ一４０ ＧＨｚ电场辐射敏感度项目时，除了采用滤波电连接 器、比较器同相端增加此电容之外，又在比较器反 个滤波电容，并采用滤波电连接器，重新进行电 磁敏感性试验，结果表明改进后的发电机控制器调 压电路顺利通过国军标所要求的敏感度测试，大大 减少由于飞机发电机电磁兼容性过低而造成的主电 源系统误保护致使主电网断电的飞行故障发生，从 而提高了正常飞行的安全性与任务完成的可靠性。 参考文献 ［１］严东超．飞机供电系统［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００７． 相端加了２００ ｐＦ级电容，六项敏感度测试均顺利 通过。 ［２］张林昌．发展我国的电磁兼容事业［Ｊ］．电工技术学报，２００５， ２０（２）：２３—２５． ４ 结 论 首先对发电机控制器做了电磁敏感性试验，根 据试验结果判断调压电路为敏感电路；然后通过调 压电路的原理分析，确定四个敏感点，再经电磁敏 感性仿真得出基准电压源电路是最敏感的一个点。 ［３］ 国防科学技术委员会．ＧＪＢ １５１Ａ一９７军用设备和分系统电磁发 射和敏感度要求［Ｓ］．北京：国防科工委军标出版发行 部，１９９７． ［４］ 国防科学技术委员会．ＧＪＢ １５２Ａ一９７军用设备和分系统电磁发 射和敏感度测量［Ｓ］．北京：国防科工委军标出版发行 部，１９９７． 随后重点对基准源的敏感性进行了仿真，所确定的 敏感频率与试验相符，因此本文判断调压电路为敏 感电路是正确的。然后对基准电压源电路增加滤波 电容之后进行仿真，结果表明滤波效果明显。最后 ［５］Ａｇｒａｗａｌ Ａ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｍｕｈｉｃｏｎｄｕｅｔｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅｓ Ｅｘｉｔｅｄ ｂｙ ａ Ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎ．Ｃｏｍｐａｒ．．１９８０，２２（２）：１１９—１２９．