CN1988365A - 一种空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法 - Google Patents

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孙伟
房庆海
陈雪松
王文生
张黎杰
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金传付
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Abstract

一种空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出的死区补偿方法，属于交流伺服技术领域。通过对交流伺服***的空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出作死区补偿，步骤为：将永磁同步电机输出三相电压的期望值作为逆变器三个桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值；将逆变器U、V、W三相脉宽调制输出的脉宽期望值组合作为交流伺服***逆变器的电压空间矢量输出期望值；将脉宽调制输出的设定死区时间作为死区补偿时间的期望值；利用永磁同步电机输出各相电流的极性、电压空间矢量的期望值和死区补偿时间的期望值计算各个电压空间矢量的作用时间。本发明易于实现，通过简单的算法，就可以实现空间矢量脉宽调制输出的死区补偿，消除交流伺服***的转矩脉动，改善低速性能。

Description

一种空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法
技术领域
本发明属于交流伺服技术领域，特别是提供了一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出的死区补偿方法，通过对交流伺服***的SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出作死区补偿消除交流伺服***的转矩脉动，进而改善交流伺服***低速性能。
背景技术
交流伺服***作为现代工业生产的主要驱动源之一，是现代工业生产的基础技术。交流伺服***这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制***，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动***、以及柔性制造***等。在现代全数字交流伺服***中，一般通过PWM(脉宽调制)技术驱动电压源型逆变器实现对交流永磁同步电机的正弦波控制。而电压源型逆变器的一个基本控制原则是要导通的器件应滞后于要关断的器件一个死区时间Td以防上下桥臂的直通(见图7、图8所示)，这样就引起了交流伺服***的死区效应。对于交流伺服***来说，死区效应的直接影响是永磁同步电机输出的转矩脉动，由于转矩脉动的存在，使得交流伺服***低速性能不好，表现为输出有步进感或脉振感，况且，这也使得***输出的最低转速不能保证。对于交流伺服***来说，由于前述的特殊应用环境，要求其能够保证控制精度，特别是对低速性能有很高的要求。因此，为了得到较好的低速性能，就必须消除***之PWM输出的死区效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出的死区补偿方法，以消除交流伺服***之PWM(脉宽调制)输出的死区效应，改善交流伺服***的低速性能，保证交流伺服***的最低转速要求。
本发明在于对***的空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出作死区补偿，消除***的转矩脉动，以改善***的低速性能。该方法包括以下步骤：
(1)将永磁同步电机定子的U相电压期望值作为交流伺服***逆变器U相桥臂脉宽调制(PWM)输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的U相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(2)将永磁同步电机定子的V相电压期望值作为交流伺服***逆变器V相桥臂脉宽调制(PWM)输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的V相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(3)将永磁同步电机定子的W相电压期望值作为交流伺服***逆变器W相桥臂脉宽调制(PWM)输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的W相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(4)将逆变器U、V、W三相桥臂脉宽调制(PWM)输出的脉宽期望值组合作为交流伺服***逆变器的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出期望值；
(5)由逆变器的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出的设定死区时间确定死区补偿时间的期望值，死区补偿时间期望值的取值范围为大于等于零小于PWM(脉宽调制)输出的设定死区时间。
(6)利用永磁同步电机输出各相电流的极性、电压空间矢量的期望值和死区补偿时间的期望值计算各个电压空间矢量的作用时间。计算方法为：
a、计算补偿后逆变器每一桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，当某桥臂的输出电流为正值时，增加该桥臂的PWM输出脉宽一个死区补偿时间；当某桥臂的输出电流为负值时，减小该桥臂的PWM输出脉宽一个死区补偿时间；
b、根据空间矢量的期望值排序补偿后逆变器三个桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值。脉宽期望值以T表示，则排序后为T大，T中，T小，其中，T大≥T中≥T小；
c、计算各个电压空间矢量的作用时间，其中T矢量1＝T大-T中，T矢量2＝T中-T小。
本发明所述的电压期望值为交流伺服***逆变器实时输出到永磁同步电机定子上的电压值，对于交流伺服***的电压源型逆变器来说，期望输出的逆变器三相电压为相位上互差120°的正弦波；所述的直流母线电压值为交流伺服***逆变器输入端的直流电压值。
本发明的主要工作原理是：将永磁同步电机定子U、V、W三相电压的期望值作为交流伺服***电压源型逆变器三路桥臂PWM(脉宽调制)输出的脉宽期望值，将U、V、W三相PWM输出的脉宽期望值组合作为交流伺服***逆变器的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出期望值；由PWM(脉宽调制)输出的死区设定值确定死区补偿时间的期望值；依据永磁同步电机输出三相电流的极性，依据亏加盈减的原理，根据期望的电压空间矢量输出和期望的死区补偿时间，计算各电压空间矢量的作用时间。
本发明的优点在于，简单可行，易于实现，可以达到克服空间矢量PWM(脉宽调制)输出死区效应，消除交流伺服***转矩脉动，改善交流伺服***低速性能的目标，保证交流伺服***的最低转速要求。
附图说明
图1为交流伺服***在001和101矢量作用下，电机三相电流输出为iu＞0，iv＜0，iw＞0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图2为交流伺服***在001和011矢量作用下，电机三相电流输出为iu＞0，iv＞0，iw＜0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图3为交流伺服***在010和011矢量作用下，电机三相电流输出为iu＜0，iv＞0，iw＜0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图4为交流伺服***在010和110矢量作用下，电机三相电流输出为iu＜0，iv＞0，iw＞0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图5为交流伺服***在100和110矢量作用下，电机三相电流输出为iu＜0，iv＜0，iw＞0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图6为交流伺服***在100和101矢量作用下，电机三相电流输出为iu＜0，iv＜0，iw＞0时，SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出及依据本发明所作的补偿效果示意图。
图7为理想情况下逆变器一个桥臂的PWM(脉宽调制)输出示意图。
图8为加死区后逆变器一个桥臂的PWM(脉宽调制)输出示意图。
具体实施方式
在现代全数字交流伺服***中，一般通过PWM(脉宽调制)技术驱动电压源型逆变器实现对交流永磁同步电机的正弦波控制。电压源型逆变器由六个大功率的开关型电力电子器件构成，两两一组分别组成三路桥臂。工作时上下桥臂轮流导通而不能同时导通。依据大功率电力电子器件的特性，其关断时间长于开通时间。为了防止上下桥臂的直通，设计SVPWM(空间矢量脉宽调制)信号时，要保证要导通的器件滞后于要关断的器件一个死区时间Td，这样就造成死区效应，引起逆变器输出到交流永磁同步电机的电流发生畸变，导致转矩脉动。
对于交流伺服***的电压源型逆变器来说，期望输出的逆变器三相电压为相位上互差120°的正弦波，依据三相电压的关系将每一个K×360°+30°～(K+1)×360°+30°的周期分成六个区间：K×360°+30°～(K+1)×360°+90°、K×360°+90°～(K+1)×360°+1 50°、K×360°+150°～(K+1)×360°+210°、K×360°+210°～(K+1)×360°+270°、K×360°+270°～(K+1)×360°+330°、K×360°+330°～(K+1)×360°+390°。在这六个区间内，永磁同步电机三相电压的关系是确定不变的，具有周期性，具体如下表1所示：
表1：一个周期上的三相电压输出关系
  区间     1     2     3
  输出电压     uu＞uw＞uv     uu＞uv＞uw     uv＞uu＞uw
  区间     4     5     6
  输出电压     uv＞uw＞uu     uw＞uv＞uu     uw＞uu＞uv
以如上关系为依据，确定了逆变器的SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出有六种情况，分别如图1到图6示。从图中可见，每一区间中起作用的电压空间矢量有4个，其中两个为零矢量：000和111，另外两个为非零矢量。调节这些矢量的作用时间可以调节输出正弦波的幅值和频率。区间一中的非零矢量为001和101，区间二中的非零矢量为001和011，区间三中的非零矢量为011和010，区间四中的非零矢量为010和110，区间五中的非零矢量为100和110，区间六中的非零矢量为100和101。
假设逆变器输出到电机的相电流流出桥臂时为正，流入桥臂时为负。依据电力电子电路的工作原理，得知，当桥臂的输出电流为正时，死区效应的影响相当于该桥臂输出的PWM脉宽比理想情况下减小一个死区时间；当桥臂的输出电流为负时，死区效应的影响相当于该桥臂输出的PWM脉宽比理想情况下增大一个死区时间；据此，为了克服死区效应的影响，当某桥臂的输出电流为正值时，增加该桥臂的PWM(脉宽调制)输出脉宽一个死区时间；当某桥臂的输出电流为负值时，减小该桥臂的PWM输出脉宽一个死区时间；根据这种补偿方法，考虑电机输出三相电流不能同时为正和不能同时为负的约束条件，实际电机输出三相电流的组合有六种情况，因此，每一区间内，补偿SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出之死区效应的方法共有六种情况。见下表示，其中，Tuon为U相的期望脉宽、Tvon为V相的期望脉宽、Twon为W相的期望脉宽，Td为死区时间：
表2：各种电流输出情况下SVPWM脉宽的确定
反馈电流     U相脉宽     V相脉宽     W相脉宽
iu＞0，iv＜0，iw＞0     Tuon+Td     Tvon-Td     Twon+Td
iu＞0，iv＜0，iw＜0     Tuon+Td     Tvon-Td     Twon-Td
iu＞0，iv＞0，iw＜0     Tuon+Td     Tvon+Td     Twon-Td
iu＜0，iv＞0，iw＜0     Tuon-Td     Tvon+Td     Twon-Td
iu＜0，iv＞0，iw＞0     Tuon-Td     Tvon+Td     Twon+Td
iu＜0，iv＜0，iw＞0     Tuon-Td     Tvon-Td     Twon+Td
这样，结合上表中SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出的六种情况，逆变器输出SVPWM(空间矢量脉宽调制)的死区效应补偿方法共有36种情况。
下面结合附图1，以区间一中输出电流为iu＞0，iv＜0，iw＞0的情况为例说明该方法。
参照附图1，在区间一中，uu＞uw＞uv，每相桥臂PWM(脉宽调制)输出的作用时间排序为Tuon＞Twon＞Tvon，经组合三相桥臂PWM(脉宽调制)输出，得到区间一中实际作用的非零空间矢量为001和101。当输出电流为iu＞0，iv＜0，iw＞0时，由于死区效应，在不做补偿的情况下，u相PWM(脉宽调制)的实际作用脉宽为Tuon-Td，v相的实际作用脉宽为Tvon+Td，w相的实际作用脉宽为Twon-Td，这样，参考区间一中每相桥臂PWM(脉宽调制)输出的作用时间排序，得出区间一中非零矢量001和101的作用时间分别为：T001＝(Tuon-Td)-(Twon-Td)，T101＝(Twon-Td)-(Tvon+Td)，即T001＝Tuon-Twon＝T1，T101＝(Twon-Tvon)-2Td＝T2-2Td。就是说因为死区效应，101矢量比实际少作用了2Td的时间。为了消除这个影响，如附图1所示，依据输出电流大于零增加脉宽，电流小于零减小脉宽的原则，做死区补偿。图中阴影部分示意死区补偿时间，阴影部分的宽度为Td。其中，u相PWM脉宽增加Td，v相PWM脉宽减少Td，w相PWM脉宽增加Td。补偿后，如图所示，参考区间-中每相桥臂PWM(脉宽调制)输出的作用时间排序，得到各个矢量的作用时间为：T001＝(Tuon+Td)-(Twon+Td)，T101＝(Twon+Td)-(Tvon-Td)，即T001＝Tuon-Twon＝T1，T101＝(Twon-Tvon)+2Td＝T2+2Td。即补偿后，101矢量的作用时间为T2+2Td，比期望增加了2Td的时间。根据前面的分析，由于死区效应，101矢量的作用时间要减少2Td，这样，加入补偿后，101矢量的作用时间为我们所期望的T2，即通过附图1中的补偿，抵消了死区的影响。
以上只举例描述了其中一种情况的SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出死区效应的补偿方法，并说明了补偿的效果。其他35种情况的SVPWM(空间矢量脉宽调制)输出死区效应补偿方法依据上述具体方法可以一一推得。
本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1、一种空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法，通过对交流伺服***逆变器的空间矢量脉宽调制输出作死区补偿，包括以下步骤：
(1)将永磁同步电机定子的U相电压期望值作为交流伺服***逆变器U相桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的U相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(2)将永磁同步电机定子的V相电压期望值作为交流伺服***逆变器V相桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的V相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(3)将永磁同步电机定子的W相电压期望值作为交流伺服***逆变器W相桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，其中永磁同步电机定子的W相电压期望值的取值范围为大于零小于逆变器的输入直流母线电压值；
(4)将逆变器U、V、W三相桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值组合作为交流伺服***逆变器的电压空间矢量脉宽调制输出期望值；
(5)由逆变器的电压空间矢量脉宽调制输出的设定死区时间确定死区补偿时间的期望值，死区补偿时间期望值的取值范围为大于等于零小于SVPWM的设定死区时间；
(6)利用永磁同步电机输出各相电流的极性、电压空间矢量的期望值和死区补偿时间的期望值计算各个电压空间矢量的作用时间；计算方法为：
a、计算补偿后逆变器每一桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，当某桥臂的输出电流为正值时，增加该桥臂的PWM输出脉宽一个死区补偿时间；当某桥臂的输出电流为负值时，减小该桥臂的PWM输出脉宽一个死区补偿时间；
b、根据空间矢量的期望值排序补偿后逆变器三个桥臂脉宽调制输出的脉宽期望值，脉宽期望值以T表示，则排序后为T大，T中，T小，其中，T大≥T中≥T小；
c、计算各个电压空间矢量的作用时间，其中T矢量1＝T大-T中，T矢量2＝T中-T小。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电压期望值为交流伺服***逆变器实时输出到永磁同步电机定子上的电压值，对于交流伺服***的电压源型逆变器来说，期望输出的逆变器三相电压为相位上互差120°的正弦波；所述的直流母线电压值为交流伺服***逆变器输入端的直流电压值。
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