搜索
死区补偿技术清华大学电机系缪学进1引言微处理和电力电子技术的迅速发展，极大地促进了PWM技术的发展和应用，各种PWM交流传动技术在工农业生产、国防和日常生活中得到了广泛的应用。我们知道，任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输出信号是不可控制的。三相桥式逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作于互补状态。由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此，如果将互补的控制信号加到同一桥臂上两个开关器件的控制极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。所以目前的逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术即将理想的PWM控制信号上升沿或下降沿延迟一段时间，在这段时间内输出信号是不可控的，这就是死区时间[1]。死区的存在使逆变器不能完全精确复现控制信号的波形，输出电压产生幅值和相位的误差。由于死区的作用，每一个调制周期内引起的微小畸变经积累后，必然会使逆变器的输出电流波形产生畸变，它不但会降低基波幅值，而且会产生低次谐波，直接影响电动机在低速下的运行性能。过去为了消除死区的影响，通常采用硬件和软件相结合的解决方案，但硬件补偿方法存在着检测精度差、滞后以及实现困难等问题。微处理器在电机控制中的应用使死区补偿变得容易，尤其是TI公司的专为电机控制设计的2000系列处理器（如TMS320F240、TMS320LF2407、TMS320F2812等）在芯片内部集成了专门的硬件电路进行死区补偿，减少了电压误差，可以获得满意的效果。2死区效应分析三相电压型逆变器的基本构成如图1所示，与电流型逆变器相比，电压型逆变器可以提高逆变器的开关频率，有利于快速控制和抑制逆变器噪声，并且输出阻抗小，适合于交流电机调速控制。为了防止逆变器区桥臂的上下功率开关发生直通，在上下功率开关改变状态时必须插入死区时间，即先将已开通的功率管关断，插入一定的死区延时，再开通另一个处于关断状态的功率管。1图1三相电压型逆变器下面以图1中A相桥臂为例，分析了死区引起的电压误差。(1)电流Ia0时(a)下开关T2关断，上开关T1导通:死区时间Td内，电流继续流过下方的二极管D2，经过导通时间Ton的延迟，电流开始流过上开关T1，结果导致在Td+Ton时间内输出电压出现偏差。(b)上开关T1关断，下开关T2导通:经过Toff的时间延时，流过上开关T1的电流开始流过下方二极管D2，结果在Toff区间内逆变器的输出电流和参考电压之间出现偏差。(2)电流Ia0时(a)下开关T2关断，上开关T1导通:经过关断时间Toff延时，流过下开关T2的电流开始流向上二极管D1，结果在Toff区间内，逆变器输出电压和参考电压间出现偏差。(b)上开关T1关断，下开关T2导通:在死区时间Td内，电流继续流过上二极管D1，经过导通时间Ton的延时后，电流开始流过下开关T2，其结果是逆变器在Td+Ton区间内出现输出电压偏差。图2所示为一个调制周期内，不同的相电流极性情况下所对应的触发脉冲。通常载波频率为10kHz，即调制周期为100μs，死区时间一般设定为3～5μs，而IGBT的导通和关断延时通常不超过1μs，故可忽略。图2(b)就是忽略了导通和关断延时。由图3不难看出，当电机低速运行时，TX(无死区的触发脉冲宽度)较小，那么死区时间Td与之相对较大，死区效应更为明显，即相电流畸变和转矩脉动更加显著[2]。2图2逆变器的触发脉冲和输出电压死区补偿的两个关键问题是：补偿电压或补偿时间的确定和所补偿相电流极性的判断。图2的这种处理方法是忽略了功率管的开关时间和开关器件的导通压降，但在要求比较高的场合这些因素是要予以考虑的。通用型三相桥式电路一个开关周期中A相脉冲电压波形如图3所示，实线代表实际获得的电压波型，虚线代表理想情况下的相电压波形。图3A相脉冲电压波形图中*gV——上管VT1的参考驱动脉冲st——死区时间gV——实际获得的驱动脉冲，——开关器件的等效关断和等效开通延迟时间'offt'ont，——开关器件和并联二极管的导通压降aVdV3首先考虑当电流流向负载时，即Ia0的情况。若在一个开关周期sT中，考虑相电压的伏秒面积，则理想情况下的面积为tsVDTV=dc)d（1）实际获得的伏秒面积为：()()(tsdcsssVDTMVVTDTMV=−−−−+（2）式中sT——开关周期——占空比——直流侧电压DdcV根据参考电压和补偿后电压伏秒面积相同的原则，其误差电压的伏秒面积为：()(tdcssssVMVDTMVTDTMVΔ=+−+−+)d（3）相应的误差时间为：()()dcssssddcdsMVDTMVTDTMVtVVV+−+−+Δ=+−（4）为简化表达式，忽略较小的二阶项，可得简化的误差时间为：(1)sdesdcDVDVtMTV+−=+（5）式中''donoffMttt=+−同样，当Ia0时，可得简化的误差时间为：(1)dsesdcDVDVtMTV+−=+（6）由式（5）和式（6）可知，tΔ与，，，，dcVdt'offt'ontsV，及输出的等有关。一般情况下，设定的保持不变，由于与电网电压有关，可视为不变。但是，，，dVDdtdcV'offt'ontsV和则将随温度和工作电流的变化而变化dV[3]。所补偿相的电流极性的确定也有多种方法，昀简单的方法就是用电流传感器进行检测。但往往还要对采集的信号进行滤波或滞环比较等处理，这会造成电流信号相位的滞后，尤其是在轻载小电流的情况下，误差会更大。还有文献提出一种对相电流方向的预测方法[2]。实际上相电流正负半周的持续时间远大于调制周期，即可认为在一个调制周期内相电流的方向不变。而且，一般异步电动机额定的功率因数大约为0.8～0.92，其功率因数角较小，故可认为相电流的方向是跟踪参考相电压的方向。基于这种思想，把复平面分为六个4扇区(注意:此扇区不同于一般的空间矢量扇区)如图4所示。通过判断参考空间电压矢量（，）在哪一扇区，从而预测相电流的方向。利用式(7)可以确定所在的扇区。*U*qU*dU*U**(/qdarctgUUθ=)（7）图4相电流的方向判定文献[4]介绍了一种根据死区电压矢量和定子电流矢量的关系得到重构电流矢量来补偿定子电压矢量的方法。设定子A、B两相电流为：mmIsin()2Isin()3ABititωφπωφ=+⎧⎪⎨=+−⎪⎩（8）转化到dq坐标系下得到：mm3Icos()23[sin()sin()]323Isin()23[cos()cos()]32dABqABititiititiφπωωφπωω⎧=−−+=⎪⎪⎨⎪=−−+=⎪⎩（9）式中arctanqdiiφ=,则tθωφ=+（10）上式中，tω可由控制器中的角度积分得到，因此可求得θ，然后根据死区电压矢量和定子电流矢量的关系得到死区电压矢量，就能实现相应的定子电压补偿。53死区补偿方法3.1电流反馈型电流反馈型死区补偿法，通过检测变频器的三相输出电流的极性来确定补偿电压，该法由于受死区时间及电流幅值和频率的影响，电流过零点一般存在一定程度的模糊性，因而电流极性的检测精度收到一定的影响，同时必要的电流滤波环节也加剧了对电流极性实时检测的难度，尤其用软件实现时，严重的检测滞后会破坏对死区时间的正确补偿[5]。3.2电压反馈型电压反馈型死区补偿法，是将各相的PWM输出检测出来，同给定的PWM波进行比较，得到实际偏差电压，然后将偏差电压同给定的PWM波叠加，得到新的给定。这种方法同样具有补偿的滞后性，每次比较结果必须在下一个开关周期才能得到校正，同时存在输出的PWM高精度检测问题，实现起来较复杂[5]。3.3脉冲死区补偿法相电流大于零时，由于死区时间引起的死区效应使实际脉冲上升沿滞后理想脉冲上升沿td时间，采用PBDTC死区补偿法，在超前理想脉冲上升沿td时间，加入PBDTC死区补偿后的实际脉冲上升沿。当把PBDTC死区补偿后的脉冲加到开关器件的控制极上，计及逆变器死区时间后，校正后的脉冲与理想脉冲一致(见图5)。相电流小于零时，由于死区时间引起的死区效应使实际脉冲下降沿滞后理想脉冲下降沿td时间，采用PBDTC死区补偿法，是在超前理想脉冲下降沿td时间，加入PBDTC死区补偿后的实际脉冲下降沿。当把PBDTC死区补偿后的脉冲加到开关器件的控制极上，计及逆变器死区时间后，校正后的脉冲与理想脉冲一致(见图6)。图5相电流大于零时PBDTC法校正原理图6相电流小于零时PBDTC法校正原理6这种方法补偿效果良好，与系统运行频率、载波频率、负载无关，只需检测相电流的极性，以软件实现为主，实现简单，系统成本增加不多[5]。其在TI2000系列处理器上的实现方法可以描述如下：图7示出死区补偿方法的原理图。补偿后的逆变器输出PWM波的理想波形Ua’，然后根据系统主电路图和死区效应得作用原理进行反推，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Wa’和带死区的PWM波形Wad’。只要根据图7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正CMPRX的值，即可获得理想的PWM输出信号，从而起到消除死去效应得作用。图7死区补偿原理图图中Wa——逆变器A相功率管VG1输出的理想PWM波形Wad——带死区的PWM波形Ua——考虑死区影响的A相实际输出相电压波形图7所示通过比较补偿前、后逆变器输出的带死区的PWM波形Wad和Wad’可以看出，当Ia0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Ia0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，通过利用DSP通用定时器允许周期中断修改PWM波的后沿，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[6]。但这种补偿方法的主要问题跟电流反馈型一样，就是相电流极性的判断。3.4基于空间矢量的补偿方法基于空间矢量的补偿方法常见的有两种，一种是根据要补偿的死区电压矢量直接补偿三相电压，一种方法是只补偿一相电压得到三相补偿的效果，下面分别介绍。73.4.1三相补偿[2]既然在每一个扇区内参考空间电压矢量是由两种开关空间矢量和零矢量合成，那么也可以把死区效应视作一种空间矢量，即(xyz)。x，y，z=1或0。图8中Ud为总的死区矢量，若不进行补偿，输出的电压矢量为U，与参考值相差ΔU。为校正后的参考空间电压矢量，它与死区矢量正好合成。而死区矢量的模式与两个因素有关：(1)参考空间电压矢量所在的扇区数。(2)相电流的方向。表1为不同扇区下的死区矢量模式*U*'U*U[2]。图8在调制周期内的死区影响表1死区矢量模式以空间矢量的硬件实现方式为例（又称低损耗方式）。通过DSP的全比较动作控制寄存器（ACTR）来实现。图9为扇区1的调制波形。死区时间内上下开关均处于关断状态。此时，若一相电流大于零，结果使逆变器的这一相直接与直流电压的负极相连，开关状态等效为零。反之，若相电流小于零，开关状态则等效为1。从图7中不难看出死区矢量Ud1，Ud4=(1y0);Ud2，Ud3=(11z)。当Ia0，Ib0，Ic0时，Ud1，Ud4=(110);Ud2，Ud3=(111)。即00,,10IxyzI⎧=⎨⎩8图9空间矢量的调制原理从图8容易看出若参考空间电压矢量使用，那么逆变器的输出电压正好为，即将用代替。式(11)说明了的求解方法，其中Ud=Ud1+Ud2+Ud3+Ud4，即四个死区矢量合成的总死区矢量。且，Ud均要转化到dq坐标上。图10为预测死区补偿策略的流程图。*'U*U*U*'U*'U*U**'pwmpwmddUTUTUT=−（11）图10死区补偿流程图3.4.2一相补偿[7]图11画出了一个开关周期中三相输出电压的波形，实线代表实际获得的电压波形，虚线代表理想情况下的相电压波形。9图12三相输出电压波形每相上管实际导通时间为'aonarefebonbrefeconcrefettttttttt⎧=−⎪⎪=−⎨⎪=+⎪⎩（12）式中和分别为相电流大于和小于零时的误差时间。一个开关周期中平均相电压为：et