基于SVPWM的逆变器死区效应分析与补偿

程世超，刘彦呈，郭昊昊

(大连海事大学，大连 116026)



基于SVPWM的逆变器死区效应分析与补偿

程世超，刘彦呈，郭昊昊

(大连海事大学，大连 116026)

针对空间矢量脉宽调制逆变器死区效应引起的误差电压矢量导致开关管实际导通时间和理想给定时间不相等的问题，从消除误差电压矢量着手，提出使用两个线性扩张状态观测器进行死区补偿的方法。分析了由于死区时间、开关管导通关断时间引起的死去效应，将误差电压矢量看作是加在d，q轴上的扰动，提出的方法可以有效抑制死区时间带来的不利影响。通过实验验证，证明该方法的有效性。

死区补偿；误差电压矢量；线性扩张状态观测器；SVPWM

0 引 言

为了保证逆变器同一组桥臂上的两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)不能同时导通，必须在空间矢量脉冲宽度调制信号中加入死区时间。然而死区时间会影响输出电压矢量，使逆变器特性呈非线性，从而影响永磁同步电机驱动系统的性能。

目前，国内外很多学者对死区效应及其补偿控制策略做了大量研究工作，提出了很多有效的补偿方法[1-5]。文献[1]针对SPWM和SVPWM逆变器，提出了时间补偿和电压补偿的方法。文献[2-3]提出各自修改三相桥臂死区时间的补偿方案，根据相电流值计算出死区时间的大小，使由死区时间引起的扰动电压矢量跟随电流矢量同步旋转。文献[4-5]利用扰动观测器获得死区时间引起的扰动电压矢量的估计值，从而计算出补偿电压。

本文对空间矢量脉宽调制(SVPWM)逆变器的死区效应进行分析，提出了一种死区效应补偿方法，即采用两个线性扩张状态观测器(LESO)的控制方案。将死区效应看作是加到d，q坐标轴上的两个扰动电压，为了克服扰动，利用LESO来获得扰动的估计值，将估计值加给d，q轴的输出电压矢量来抵消死区时间所造成的扰动。实验在SVPWM策略下的永磁同步电机控制系统中进行，软件算法是利用TI公司生产的数字信号处理器TMS320F28335实现，实验结果证明，该方法有很好的补偿效果。

1 死区效应分析

由于受死区效应的影响，在死区时间内输出电压的大小是不受IGBT控制，它是根据负载电流方向决定的。同时对于IGBT是需要考虑一定的导通与关断时间(Ton和Toff)，这些因素都会对输出电压造成一定的误差。

图1所示为SVPWM逆变器A相桥臂拓扑结构，将流向负载的电流极性定义为正，流出负载的电流极性定义为负，利用逆变器A相桥臂的拓扑结构，针对输出电压受死区时间造成的影响进行分析。图2给出了A相桥臂的理想栅极信号和的实际栅极信号以及它们产生的相应输出电压。图2(a)为理想栅极信号，图2(b)为实际栅极信号，在实际中，为了安全起见，死区时间要保证两个IGBT不能同时导通。此时间称之为非导通时间。在非导通期间内，输出电压仅依赖于相电流的方向：1)当电流ia极性为正，为了维持电流继续流向电机，下桥臂的续流二极管VD4导通，输出相电压实际正脉冲宽度比理想脉冲宽度窄，减少的时间ΔT/2，其中ΔT等于2(Td+Ton-Toff)，如图2(c)所示。2)当电流ia极性为负，为了维持电流继续流出电机，上桥臂的续流二极管VD1导通，输出相电压实际正脉冲宽度比理想脉冲宽度宽，增加的时间为ΔT/2，如图2(d)所示。在死区时间内电流仅仅是通过二极管来续流，无论电流的方向如何，电流的幅值趋向于零。

图1 A相逆变桥拓扑结构

图2 A相逆变器的触发信号和输出电压

在本文中，将非导通时间内产生的电压称为误差矢量电压，在电压型空间矢量脉宽调制逆变器中，由于死区时间导致的死去效应会产生一系列畸变脉冲波，根据电压平均值等效原理可以将此脉冲波等效成180°导通型的方波。且三相相电流之间都相差120°，因此，在永磁同步电机的绕组中就形成了6个误差电压矢量，如图3所示。

图3 误差电压矢量

误差电压矢量的方向由三相相电流极性所决定，用1表示相电流的极性为正，用0表示相电流的极性为负，对应的数值组合也就是相应的误差电压矢量。比如，误差矢量ΔU4按照abc相序，相应的三相相电流极性是正、负、负。在ia>0，ib<0，ic<0的情况下对误差电压矢量的变化情况进行分析，图4为在ia>0,ib<0，ic<0的情况下逆变器的理想与实际输出电压波形。中心线左侧实际V4矢量作用时间相比理想V4矢量作用时间减少了ΔT/2，中心线右侧实际V4矢量作用时间相比理想V4矢量作用时间同样减少了ΔT/2；由于ib<0和ic<0，实际V6矢量作用时间等于理想V6矢量作用时间。在一个调制周期内，实际V4矢量作用时间减少了ΔT，则两者的合成矢量就是误差电压矢量为-ΔT·U4，即为ΔU4，以同样的方法分析其他5种电流极性，得出表1结论。

图4 当ia>0，ib<0，ic<0时理想与实际输出电压波形

iaibic误差电压矢量>0<0<0-ΔT·U4>0>0<0-ΔT·U6<0>0<0-ΔT·U2<0>0>0-ΔT·U3<0<0>0-ΔT·U1>0<0>0-ΔT·U5

在一个旋转周期中，电流矢量会经过6个扇区，所以误差电压矢量会变化6次。电流矢量位于某个扇区内，切换到相应的误差电压矢量，此时可以将误差电压矢量d分解成d，q轴上两个独立的矢量dd和dq。当系统处于稳定状态时，dd和dq是周期性变量，其角频率为ω的6倍。这种扰动会使速度和频率发生变化，最终将导致转矩的脉动。

2 死区效应补偿

在本节中，使用两个线性扩张观测器的控制方案，以补偿死区时间的影响。该方案的目的是使输出实际电压矢量与输入理想电压矢量基本一致，消除由死区时间带来的干扰。永磁同步电机考虑死区时间所造成的误差电压矢量的数学模型可表示：

(1)

在d-q轴旋转坐标系下的分解式：

(2)

(3)

式中：Ucd和Ucq是理想电压矢量；Ld和Lq分别是d，q轴定子线圈的自感；id和iq是d，q轴的实际电流，ψf是励磁空间矢量；dd和dq分别是d，q轴上由于死区时间造成的周期扰动。

在这节中，只介绍d轴电流控制器，可以通过类似的方法实现q轴控制器。为了设计LESO，式(2)重新整理如下：

(4)

在实际中，将Ld的测量值用Lm表示，1/Ld和1/Lm的差值表示为Δ。因此，式(4)中可以将右侧的Ucd/Ld改写为(1/Lm+Δ)Ucd，式(4)整理为：

(5)

引入一个新的变量Dd，表示(ωLqiq)/Ld-(Rsid)/Ld+dd/Ld+Ucd·Δ，Dd可看成对d轴的总干扰。因此，式(5)可以简化为以下等式：

(6)

从式(6)可以看出,死区时间和其他不确定性因素引起的扰动都可以在Dd中反映出来。把扰动Dd观测出来并加以补偿。对于式(6)所示的系统，可得到标准形式的永磁同步电机d轴电流环状态方程：

(7)

(8)

式中：z1是id的实时观测值；z2是Dd的实时观测值；β1和β2为可调参数；fal(E,α1,δ)是在原点附近具有线性段的连续幂次函数，其表达式：

(9)

通过调节LESO的参数，可以实时观测到系统的内外扰动，并对其采取有效的抑制补偿，从而实现对永磁同步电机的精确控制。

根据自抗扰控制策略，输入Ucd可设计如下：

(10)

式中：Kd是可调系数，ird是d轴的参考电流。用式(10)的Ucd代替式(6)的Ucd得到下列公式：

(11)

值得注意的是，当z2跟踪Dd足够快时，Dd将显著地得到补偿，这使得整个系统的一阶积分系统的过程：

(12)

ird和id之间的传递函数可以写成：

(13)

因此，当Dd被补偿时，将Lm/Kd看成时间常数，ird和id之间相当于一阶惯性系统，因此，死区时间和其他不确定性因素引起的高频干扰削弱了电流跟踪性能，可以由Dd进行补偿抑制，所提方案的控制框图如图5所示。

3 实验及结果

将补偿方法应用到永磁同步电机SVPWM系统中，采用id=0的控制策略，用增量式PI控制器来获得q轴的参考电流，采用增量式PI控制器来获得q轴的参考电流，采用TI公司生产的数字信号处理器TMS320LF28335作为控制器，采用三相半桥式逆变电路，选用西门康系列IGBT，型号为SKM100GB 12 V，永磁同步电机的额定功率为7.5 kW，极对数为3，额定电流为12.5 A，额定电压为380 V。

由于dd和dq的频率是ω的6倍，就意味着当电机加速时它们的频率会显著增加，当dd和dq的频率超过截止频率会被永磁同步电机自身滤除，这是死区效应主要发生在相对较低转速范围内的原因。在25 r/min的情况下进行了实验对比和验证。图6为逆变器死区补偿之前相电流的波形，受死区效应影响相电流波形的削峰平谷与过零钳位现象非常明显，图7为逆变器补偿之后的相电流波形，此时相电流波形几乎没有发生波形畸变，正弦程度较好，证明了对逆变器死区效应分析的正确性，采用的补偿策略对于抑制死去效应是有效的。

图6 逆变器补偿前相电流波形(截图)图7 逆变器补偿后相电流波形(截图)

4 结 语

本文针对SVPWM，详细分析了其死区效应，提出了使用两个线性扩张状态观测器的控制方案。通过死区补偿实验，对由死区时间、开关管导通关断时间引起的误差电压矢量进行了补偿，实验结果证明所提出的方法可以有效地改善相电流波形质量，并且具有很高的应用价值。

[1] 吴茂刚,赵荣祥,汤新舟.正弦和空间矢量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):101-105.

[2] 何正义,季学武,瞿文龙.一种新颖的基于死区时间在线调整的SVPWM补偿算法[J].电工技术学报,2009,24(6):42-47.

[3] 刘宝英,朴成洙.基于简化SVPWM的逆变器死区效应分析与补偿[J].电测与仪表,2012,49(5):71-75.

[4] 肖海峰,刘海龙,贺昱矅,等.基于电压空间矢量控制 PMSM 系统新型死区补偿方法[J].电工技术学报,2013,28(8):114-119.

[5] KIM S Y,LEE W,RHO M S,et al.Effective dead-time compensation using a simple vectorial disturbance estimator in PMSM drives[J].IEEE Transactions on Industrial and Electronics,2010,57(5):1609-1614.

Dead-Time Effect Analysis and Compensation of InverterBased on SVPWM

CHENG Shi-chao，LIU Yan-cheng，GUO Hao-hao

(Dalian Maritime University,Dalian 1116026,China)

Error voltage vector caused by dead-time effect of space vector pulse width modulation inverter was given in this paper. In order to make practical conduct time equal to ideal given time of swithing devices, a compensation strategy using twolinear extended state observers was proposed. Dead-time effect generated by the dead time, swithing devices turn-on and turn-off time was analyzed, and the error voltage vector caused by dead-time was regarded as two disturbances imposed ondqaxes in the rotor reference frame. This strategy provides a strong ability to suppress dead-time effects. Experiments are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy.

dead-time compensation; error voltage vector; linear extended state observer; SVPWM

2015-07-28

TM351;TM464

A

1004-7018(2016)10-0086-03