PWM逆变器死区效应补偿策略研究运动控制

运动控制系统课程设计课题：PWM逆变器死区效应补偿策略研究系别：电子信息与工程学院专业：自动化姓名：学号：0924121成绩：河南城建学院2015年01月07日目录一、设计目的..............................................................................................................1二、设计任务及要求....................................................................................................1三、总体方案设计......................................................................................................1四、硬件电路设计......................................................................................................21、死区效应分析及补偿电压...........................................................................22、零电流钳位效应的补偿...............................................................................43、功率开关器件寄生电容影响的补偿.............................................................74、死区补偿.......................................................................................................8五、软件仿真............................................................................................................101、仿真分析.......................................................................................................102、仿真结果.......................................................................................................11六、心得体会............................................................................................................141一、设计目的通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。二、设计任务及要求设计PWM逆变器控制系统，分析死区对逆变器输出电压和电流的影响，给出相应的死区补偿策略，并用MATLAB/Simulink仿真工具进行建模仿真。三、总体方案设计电压源型PWM逆变器(VSI)广泛应用于交流电机调速系统中，但为避免同一桥臂的开关器件发生直通短路，必须插入死区时间。死区时间和开关器件的非理想特性导致逆变器输出电压波形产生畸变，降低了基波幅值，这种影响称为死区效应。死区效应会导致电动机低次谐波含量和电机的谐波损耗增加，在低频运行以及高载波频率时，会使电机电磁转矩发生较大脉动，严重地影响了系统的运行性能。常逆变器的死区效应补偿是通过加上一个补偿电压来实现的，补偿电压的极性由负载电流极性决定，因此电流极性检测是死区效应补偿的关键，电流极性检测不准确导致电压误补偿，特别是电机在低速低电流运行时，由于零电流钳位现象的存在，使电流极性检测可能出现多个零点。另外，功率开关器件的寄生电容对器件的开通和关断也有影响，寄生电容的存在相当于减小了死区时间，应对补偿电压进行调整。文献中提出了一种消除零电流钳位现象和功率开关器件寄生电容影响的补偿方法，首先计算出补偿电压的大小，然后再校正补偿电压的极性，2该方法对消除零电流钳位现象和减小电流脉动很有效。但该方法是对补偿电压的极性进行校正，补偿电压的大小随电流的变化而变化，使得极性校正时的参考量为变化量。本文对文献提出的死区补偿方法进行了改进，改进后的死区补偿方法是：首先对电流极性进行校正，然后再计算补偿电压的大小，这样电流极性校正时的参考量与补偿电压大小无关，为恒定值。四、硬件电路设计1、死区效应分析及补偿电压以逆变器三相桥臂的A相桥臂为例分析死区时间、开通关断时间和管压降对输出电压的影响，且定义电流极性由逆变器流向负载为正。图1(a)为逆变器a相桥臂，正电流时，器件T1开通时电流流经T1，输出电压为一，在Tl关断及死区时间期间电流经二极管D4续流，输出电压为一。图1(b)给出了a相驱动信号和输出电压，其中a、b图分别为开关器件T1、T4的3理想驱动信号，c、d图为加入死区时间后的驱动信号，e图为理想输出电压波形，f图为加入死区时间后的输出电压波形，g图为考虑开关器件开通和关断时间(offontt,)的影响后的输出电压的波形，h图为开关器件和二极管管压降(DSVV,)的输出电压波形，综合上述各因素，逆变器输出电压实际脉宽与理想脉宽的误差时间(即死区补偿时间)为：SdconoffonCTUVttTTd其中:dconoffondttUVT、、、、和ST分别是死区时间、功率开关器件的开通时间、关断时间、平均导通压降、直流电压和开关周期。平均导通压降4DSoffSSononVTTVTTV实际输出电压波形和误差电压波形如图i和i所示。同理图2分析了当电流极性为负时(i0)的情况。由此可见：当电流为正方向时，输出电压正脉宽变窄，输出电压值比期望值低；当电流为负方向时，输出电压负脉宽变窄，输出电压值比期望值高。即电流为正时，等效于少了若干正电压脉冲，电流为负时，等效于少了若干负电压脉冲。可见误差电压波形是由负载电流极性决定的一系列脉冲。为了补偿逆变器的非线性特性，需要给指令电压加上一个补偿电压，把误差电压平均到一个开关期得a相的补偿电压为：acomadccomaisgnisgnUUTTUSC其中：0i0i1-1isgnaaa且dccomUTTUSC2、零电流钳位效应的补偿在死区时间内，电流只能通过二极管续流，无论电流为何方向，其数值都有减小的趋势。若在死区时间开始时，电流减小为零，如图3所示，在接下来的死区时间内，由于续流二极管反向阻断，使电流钳位在零点，故称为零电流钳位现象。零电流钳位现象使电流极性检测时可能出现多个零点，导致误补偿，影响了5补偿的精度。本文中零电流钳位现象是通过把a-b-c坐标系中表示电流极性的符号函数转化到-坐标系中，根据函数S的信息检验出来，然后对电流极性进行校正。对永磁同步电机-坐标系定义如图所示，其中a-b-c坐标系是三相静止坐标系，abc轴分别为三相定子绕组轴线方向；d-q坐标系是两相转子坐标系，d轴是永磁体磁场方向，q轴为超前d轴90度方向；-坐标系是两相同步旋转坐标系。-的坐标系的空间位置角用c表示：rc其中，是电流矢量与q轴的夹角qd1-ii-tan把a-b-c坐标系中表示电流极性的符号函数变换到同步旋转的-坐标系中cbacisgnisgnisgnssK6由理论分析及仿真结果，如图5所示，可知s是频率为基频6倍的锯齿波，其理论幅值为：32ampS其中，S是脉动直流量。当某相发生零电流钳位现象时，S的幅值就会超过其理论幅值。因此零电流钳位现象可由y轴的函数s与其理论幅值比较而检测出来，然后对电流极性进行校正。73、功率开关器件寄生电容影响的补偿功率开关器件寄生电容对逆变器输出电压脉冲上升和下降时间的影响，文献中作了详细分析。由文章可知逆变器输出电压脉冲上升和下降时间随相电流瞬时值变化而变化，输出电压下降时间取决于正电流的大小，电流越小下降时间越长；输出电压的上升时间与负电流的大小有关，电流绝对值越小，上升时间越长；当相电流数值大于1．4A(不同器件该数值略有不同)时，寄生电容的影响基本可以忽略。因此寄生电容的影响在电流小于1．4A时，相当于减小了死区时间对输出电压的影响，所以在死区补偿时应对补偿电压可根据相电流的大小进行调整。图86给出了本文所用功率开关器件IRF840al的寄生电容引起的开通和关断延时的等效时间etrT与相电流瞬时值的对应关系，这一特性存储在表格中备查，用来调整补偿电压。调整后的补偿电压为：dcsetrcom,comt-UTUU4、死区补偿图5为实时检测功率管导通时间的电路示意图。在死区时段，由于续流作用，高速光耦将按照A相的实际电压（见图2d、2e）导通/关断，数字信号apulse将反映出死区波形；在非死区时段，高速光耦将根据功率管VT1的开/关情况而导通/关断。由此可知，按图5所示电路可以得到逆变器输出电压的实际波形。图中，apluse、bpulse、cpulse分别为体现A、B、C相实际电压波形的数字信号。9图5功率管导通时间实时检测电路CPLD内构造3个计数器timer1、timer2、timer3，分别计算VT1、VT3、VT5在一个开关周期内的实际导通时间CBAttt、、。当apulse为1，即实际电压为高时，timer1以基准时钟为时基进行计数。当apulse为0，即实际电压为低时，timer1停止计数。B、C相同理。微控制器在每个开关周期读取一次3个计数器的值，而后将3个计数器清零。记基准时钟频率为rf，开关频率为kf。若某一开关周期中，3个计数器的计数值分别为cbannn、、。则在这个开关周期内，VT1、VT3、VT5的实际导通时间为rcCrbBraAfntfntfnt（12）10根据检测到的功率管实际导通时间CBAttt、、，在一个开关周期内，电机三相定子相电压可表示为kABCdccskcABdcbskcBAdcasftttUuftttUuftttUu323232(15)由于本方法是用上一个周期的实际死区时间进行补偿，因此需要考虑补偿的实时性问题。由于电机定子绕组的电感特性，可以认为在两个相邻开关周期内定子电流（即功率管导通电流）不会发生大的变化，也即实际的死区时间基本一致。五、软件仿真1、仿真分析为了体现功率开关器件的非线性特性，本文采用IRF840al的spice模型构建逆变器仿真系统，利用MATLAB和Pspice仿真工具对PMSM矢量控制系统进行了死区补偿仿真研究，图7所示为控制系统原理图，表2中给出了系统仿真用电机参数及控制参数。在转速为300r／min，负载为额定负载的0．5倍的情况下进行仿真，仿真结果如图8所示。图8包括无死区补偿、平均电压直接补偿、电流极性校正补偿、电流极性校正及补偿电压大小调整补偿(目标补偿)四种情况下的电流和补偿电压仿真波形。无死区补偿时(图a)，定子相电流畸变和零电流钳位现象明显，d轴电流脉动较大。平均电压直补偿时(图b)，相电流波形得到了改善，但仍然存在零电流钳位现象，d轴电流仍然脉动较大S的最大值超过理论幅值rampS，这说明在电机低速轻载运行时，平均电压直接补偿方法未能达到较好的补偿效果，电流