CN106788058A

CN106788058A - 一种永磁同步电机的死区补偿控制方法

Info

Publication number: CN106788058A
Application number: CN201611196761.4A
Authority: CN
Inventors: 胥小勇; 齐丹丹; 范仁凯; 孙园园; 钱巍
Original assignee: NANJING ESTUN AUTOMATIC CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING ESTUN AUTOMATIC CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的死区补偿控制方法，根据电机相电流极性来补偿损失的脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想参考时间相等，并且在相电流零位附近设置电流阈值。第一步：定义死区补偿控制算法中的参数，计算出死区误差电压和死区误差时间，然后对该死区误差时间进行补偿，死区补偿时间与误差时间相反，再将死区补偿时间折算成补偿占空比。第二步：在电机相电流过零区间设置一个电流阈值，避免电流波动导致的过零点检测不准，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，在电流阈值区间内则采用线性补偿占空比，并设置了补偿系数，使控制效果更平稳。

Description

一种永磁同步电机的死区补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的死区补偿控制方法。

背景技术

永磁同步电机一般采用空间矢量算法，为保护逆变器直流侧电源，在其开关器件的驱动信号中需加入死区时间，死区时间的存在使得逆变器输出的相电压、相电流畸变，特别是在低速、低电压输出情况下，会使转矩脉动增大，甚至导致系统不稳定，对永磁同步电机伺服系统的实际运行产生许多负面影响。因此，对永磁同步电机死区效应进行补偿具有重要意义。

在目前死区补偿的研究中，一种方法是通过测量实际电压与理想电压比较得出误差电压，补偿由逆变器引起的电压误差，但是电压准确检测存在困难。另一种方法是采用电压补偿法，通过预测电流方法在αβ静止坐标系上补偿一个与误差电压矢量大小相等、极性相反的补偿电压矢量来抵消或削弱误差电压的影响，这种方法具有易于实现的优点，缺点是补偿不够精确。还有一种方法是采用干扰观测器的方法对逆变器死区效应进行在线死区补偿，该方法把逆变器死区和开关器件的非理想特性所造成转子交直轴电压作为干扰电压进行在线估计，然后反馈到逆变器参考电压进行电压前馈补偿，该方法由于干扰观测器的设置，补偿电压存在相位滞后。再就是采用时间补偿法，将逆变器三相脉宽调制输出的脉宽期望值组合作为交流伺服系统逆变器的电压空间矢量输出期望值，将设定死区时间作为死区补偿时间的期望值，根据电流极性来补偿死区，该方法需要电流的极性信息，但由于电流检测装置的零点飘移、干扰信号等因素的影响，使得电流极性准确判断存在困难,如果对电流过零点判断不够准确反而会引起误补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种永磁同步电机的死区补偿控制方法，采用时间补偿法，根据电流极性和补偿时间调整每一相驱动信号脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想给定时间长度一致，保证逆变器输出电压与时间伏秒面积与理想伏秒面积相等，死区补偿时间不仅考虑了设定的死区时间，还考虑了开关器件的开通关断延迟时间，管压降等因素，使死区补偿时间更接近实际值，在此基础上，在电机相电流过零区间设置了一个电流阈值，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，电流阈值区间内采用线性补偿占空比，本发明方法能有效地避免电流在过零点时由于电流波动可能导致的误补偿，并且在阈值区间内采用线性补偿，控制效果更平稳。

本发明一种永磁同步电机的死区补偿控制方法，其基本思路是：根据电机相电流极性来补偿损失的脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想参考时间相等，并且在相电流零位附近设置电流阈值。第一步：定义死区补偿控制算法中的参数，根据伏秒面积相等原理，计算出死区误差电压和死区误差时间，死区误差时间不仅考虑设定的死区时间，还考虑开关器件的开通关断延迟时间，管压降等，然后对该死区误差时间进行补偿，死区补偿时间与误差时间相反，再将死区补偿时间折算成补偿占空比。第二步：在电机相电流过零区间设置一个电流阈值，避免电流波动导致的过零点检测不准，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，在电流阈值区间内则采用线性补偿占空比，并设置了补偿系数，使控制效果更平稳。

基于上述思路，本发明为实现发明目的所提出的永磁同步电机的死区补偿控制方法，其步骤如下：

第一步：根据选用的开关器件，设置死区时间t_d。

第二步：计算死区误差时间t_err：

其中，i_x为相电流(i_a、i_b、i_c)，

t_on为开关管导通所需时间，t_off为开关管关闭所需时间；

T_s为伺服周期，V_s为开关管导通压降，V_d为二极管导通压降，V_dc为母线电压。

第三步：计算死区误差电压ΔV，根据伏秒面积相等原理，在一个PWM周期内，死区误差电压ΔV满足下式：

ΔV*T_s＝t_err*V_dc*sign(i_x)

得到死区误差电压：

第四步：计算死区补偿时间t_com，死区补偿时间跟死区误差时间相反：

t_com＝-t_err

第五步：将死区补偿时间折算成死区补偿占空比D_err：

则电流分别为正负极性时，死区补偿占空比D_err-、D_err+分别为：

i_x＞0时，

i_x＜0时，

第六步：在相电流过零区间设置一个电流阈值Δi，避免电流在过零点时由于电流波动可能导致的误补偿，该阈值通过实验分析确定(一般为电机额定电流的2％～5％)，然后，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，阈值区间内采用线性补偿占空比来补偿死区效应，并设置了补偿系数k(0≤k≤1)，使控制效果更平稳，则一个周期内占空比补偿值D_comx为：

其中：i是电机相电流。

经过死区补偿后，实际输出电压的时间与理想输出电压的时间相等。

本发明永磁同步电机的死区补偿控制方法，采用时间补偿法，根据电流极性和补偿时间调整每一相驱动信号脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想给定时间长度一致，保证逆变器输出电压与时间伏秒面积与理想伏秒面积相等，死区补偿时间不仅考虑了设定的死区时间，还考虑了开关器件的开通关断延迟时间，管压降等因素，使死区补偿时间更接近实际值，在此基础上，在电机相电流过零区间设置了一个电流阈值，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，电流阈值区间内采用线性补偿占空比，本发明方法能有效地避免电流在过零点时由于电流波动可能导致的误补偿，并且在阈值区间内采用线性补偿，控制效果更平稳。

附图说明

图1是死区补偿原理分析图。

图2是零电流钳位死区补偿原理图。

图3是死区补偿算法流程示意图。

图4是死区补偿在永磁同步电机中的控制框图。

图5是阶跃电流仿真曲线对比图。

图6是正弦波电流仿真曲线对比图。

图7是正弦波电流仿真曲线对比(局部放大后)图。

图8是阶跃电流实验曲线对比图。

图9是正弦波电流实验曲线对比图。

图10是正弦波电流实验曲线对比(局部放大后)图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明方法作进一步详细说明。

实施例：

选用永磁同步电机，额定功率P＝1kw，额定电流In＝5.3A，设定死区时间Td＝2us，电流阈值Δi＝2％*In＝0.1A；

电机在运行过程中，将采集的相电流i输入到死区补偿模块，根据设定的死区时间Td和实时采集的相电流i，计算出死区补偿时间t_com和死区补偿占空比D_err；

然后根据电流阈值Δi，判断相电流i与电流阈值的关系，得到占空比补偿值D_comx，并将该占空比补偿值D_comx赋值到PWM产生模块。

在matlab中对该死区补偿算法进行仿真，电流指令为阶跃信号时未使用本发明算法(no compensation)和使用本发明算法(with compensation)的电流对比结果如图5所示；电流指令为正弦信号时，未使用本发明算法(no compensation)和使用本发明算法(with compensation)的电流对比结果如图6所示，局部放大如图7所示。

采用1kw功率的永磁同步电机对该补偿算法进行实验验证，电流指令为阶跃信号时未使用本发明算法(no compensation)和使用本发明算法(with compensation)的电流对比结果如图8所示；电流指令为正弦信号时，未使用本发明算法(no compensation)和使用本发明算法(with compensation)的电流对比结果如图9所示，局部放大如图10所示。

由仿真和实验结果可以看出，采用本发明死区补偿算法对死区效应起到了补偿作用，能有效减小电流稳定时间和相位滞后，减小电流畸变，提高电流响应性能。

本发明是一种基于永磁同步电机的死区补偿控制算法，其关键点在于：为保证逆变器输出电压与时间伏秒面积与理想伏秒面积相等，首先计算出死区误差电压和死区误差时间，对该死区误差时间进行补偿，再将死区补偿时间折算成补偿占空比，然后根据电机相电流极性来补偿损失的脉冲宽度，使开关管实际开通时间与理想参考时间相等，死区补偿时间不仅考虑了设定的死区时间，还考虑了开关器件的开通关断延迟时间，管压降等因素，使死区补偿时间更接近实际值。

Claims

1.一种永磁同步电机的死区补偿控制方法，其步骤如下：

第一步：根据选用的开关器件，设置死区时间t_d；

第二步：计算死区误差时间t_err：

t_{e r r} = s i g n (i_{x}) (t_{d} + t_{o n} - t_{o f f} + \frac{V_{d e v}}{V_{d c}} T_{s})

其中，i_x为相电流i_a、i_b、i_c，

s i g n (i_{x}) = \{\begin{matrix} 1 & i_{x} > 0 \\ - 1 & i_{x} < 0 \end{matrix},

t_on为开关管导通所需时间，t_off为开关管关闭所需时间，

V_{d e v} = \{\begin{matrix} \frac{t_{o n}}{T_{s}} V_{s} + \frac{t_{o f f}}{T_{s}} V_{d} & i_{x} > 0 \\ \frac{t_{o f f}}{T_{s}} V_{s} + \frac{t_{o n}}{T_{s}} V_{d} & i_{x} < 0 \end{matrix}

T_s为伺服周期，V_s为开关管导通压降，V_d为二极管导通压降，V_dc为母线电压；第三步：计算死区误差电压ΔV：

Δ V = \frac{t_{e r r}}{T_{s}} V_{d c} * s i g n (i_{x});

第四步：计算死区补偿时间t_com：

t_com＝-t_err；

第五步：将死区补偿时间折算成死区补偿占空比D_err：

D_{e r r} = \frac{t_{c o m}}{T_{s}} = \frac{- t_{e r r}}{T_{s}}

i_x＞0时，

D_{e r r -} = - (\frac{t_{d} + t_{o n} - t_{o f f}}{T_{s}} + \frac{t_{o n}}{T_{s}} \frac{V_{s}}{V_{d c}} + \frac{t_{o f f}}{T_{s}} \frac{V_{d}}{V_{d c}});

i_x＜0时，

D_{e r r +} = \frac{t_{d} + t_{o n} - t_{o f f}}{T_{s}} + \frac{t_{o f f}}{T_{s}} \frac{V_{s}}{V_{d c}} + \frac{t_{o n}}{T_{s}} \frac{V_{d}}{v_{d c}};

第六步：在相电流过零区间设置一个电流阈值Δi，然后，在电流阈值区间外采用固定值补偿占空比，阈值区间内采用线性补偿占空比来补偿死区效应，并设置补偿系数k，0≤k≤1，则一个周期内占空比补偿值D_comx为：

D_{c o m x} = \{\begin{matrix} D_{e r r +} & i \leq - Δ i \\ k \cdot \frac{i}{2 Δ i} \cdot (D_{e r r +} - D_{e r r -}) & - Δ i < i < Δ i \\ D_{e r r -} & i &GreaterEqual; Δ i \end{matrix}

其中：i是电机相电流；

2.根据权利要求1所述永磁同步电机的死区补偿控制方法，其特征是：所述电流阈值Δi为电机额定电流的2％～5％。