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基于空间电压矢量的电压前馈死区补偿方法研究与实现.pdf

基于空间电压矢量的电压前馈死区补偿方法研究与实现

飘叶
2010-12-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于空间电压矢量的电压前馈死区补偿方法研究与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域

研究与设计ξEMCA,()基于空间电压矢量的电压前馈死区补偿方法研究与实现陈小佳, 黄苏融, 洪文成, 邹海晏(上海大学机电工程与自动化学院,上海 )  摘 要:为减小逆变器死区效应引起的电压、电流畸变及电机转矩脉动的影响,提出一种基于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的电压前馈型死区补偿方法。该方法依据电流环的给定电流来确定电流矢量的位置并以此加入电压前馈来削弱逆变器输出的、次谐波电流,从而减小谐波电流对电机电磁转矩脉动的影响。永磁同步电机系统死区补偿仿真及试验结果验证了该方法的有效性。关键词:空间电压矢量脉宽调制死区补偿电压前馈中图分类号:TM 文献标识码:A 文章编号:()StudyandImplementationofVoltageFeedForwardDeadTimeCompensationMethodBasedonSVPWMCHENXiaojia, HUANGSurong, HONGWencheng, ZOUHaiyan(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai,China)  Abstract:Toreducethevoltagedistortion,currentharmonicsandtorqueripplecausedbythedeadtimeeffects,avoltagefeedforwarddeadtimecompensationmethodbasedonSVPWMispresentedWiththepositionofthegivencurrentvectorofthecurrentloop,thismethodcandecreasethethandthharmoniccurrentsbyapplyingthefeedforwardvoltagetothevoltagevector,andthenreduceit’seffectstothetorquerippleThesimulationresultsandexperimentresultsverifytheeffectivenessofthismethodKeywords:spacevectorpulsewidthmodulationdeadtimecompensationvoltagefeedforward国家自然科学基金项目()国家节能与新能源汽车重大项目课题(AAA) 引 言空间电压矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM)技术由于其较低的谐波输出含量和较高的母线电压利用率等优点,在电机控制中逐渐成为一项标准化技术得以广泛应用。在逆变器中,为避免开关器件的非理想特性导致的上下桥臂直通现象,必须加入死区时间但是死区时间效应使得逆变器的输出电压及电流发生畸变,导致电机电磁转矩脉动和谐波损耗增大,尤其在低速时由死区效应引起的电磁转矩脉动明显增大。针对死区效应国内、外学者已提出多种死区补偿方法。文献,将开关器件的非理想特性也归结为死区效应,并给出了精确的死区补偿时间量文献采用反馈电流滞环判断电流方向,修正开关器件开通时刻以实现死区补偿该方法不需要附加电路,但由于采用反馈电流滞环判断电流过零点,补偿精度较低,并将导致输出波形滞后文献提出一种基于实时检测开关器件导通时间的死区补偿和电压检测方法,该方法可实时精确地检测死区时间,有利于提高电机系统性能,但附加电路成本较高。本文在死区效应和补偿分析的基础上,提出一种基于SVPWM的电压前馈死区补偿方法。电流矢量位置的确定是电压前馈死区补偿的关键,该方法依据电机系统的给定电流来确定电流矢量位置,可省去硬件检测电路并在SVPWM算法中,()研究与设计ξEMCA直接进行电压前馈补偿以削弱逆变器输出的、次谐波电流,抑制电机转矩脉动。该方法软件编程简洁、有效,并通过永磁同步电机系统模型的死区补偿仿真和试验,验证了该死区补偿方法的有效性。 死区效应分析图(a)为逆变器的一相桥臂,此处绝缘栅双极晶体管(IGBT)为高电平开通的功率开关管。P、P分别为驱动IGBT和IGBT的驱动信号。为避免上下桥臂同时开通,P和P不能同时出现高电平。图(b)是DSP产生的驱动信号。当计数器到达给定比较值时,理想情况为P变高,IGBT开始导通P为P的反向信号,当P变低时P变为高电平,IGBT开始导通。由于开关器件的非理想特性,有可能出现上下桥臂直通。为避免直通,在实际的驱动信号P′和P′中加入了死区时间td。(a)逆变器的一相桥臂(b)DSP中PWM信号产生过程图 逆变器结构及其DSP中PWM信号产生过程  加入死区时间td后,有效地避免了开关器件的直通,但也造成了一系列的死区时间效应。如图,当iA>时,理想情况是P变高时A点电压为Vdc由于死区时间td的存在,IGBT不能在理想时刻开通,将通过D来续流,此时A点被钳位于Vdc。这样,加入死区时间后,实际输出电压比理想输出电压增加了一个幅值为Vdc、宽度为td的负脉冲电压。同理,当iA<时,理想情况是P变高时A点电压为Vdc,加入死区时间td后,IGBT不能在理想时刻开通,通过D来续流,A点被钳位于Vdc。这样,加入死区时间后,实际输出电压就比理想输出电压增加了一个幅值为Vdc、宽度为td的正脉冲电压。图显示了死区时间对逆变器输出电压波形的影响。图 死区时间对逆变器输出电压波形的影响  图(a)中VAN为逆变器A相理想输出电压,图(b)中VAN为逆变器A相实际输出电压,VAN与VAN之间的偏差如图(c)所示,为一系列的畸变电压脉冲序列,其宽度为td,幅值为Vdc,极性与iA方向相反为取其平均电压,将畸变电压脉冲序列等效为一个矩形波的畸变电压ΔVAN,如图(c)中虚线所示。由此可得:ΔVAN=tdVdcNTs()式中:TsPWM周期N载波比。因此,A相实际输出电压为:VAN=VAN|ΔVAN|=VANtdVdcNTs,iA≥VAN=VAN|ΔVAN|=VANtdVdcNTs,iA≤()  同理可以得到:VAN=VANtdVdcNTssign(iA)VBN=VBNtdVdcNTssign(iB)VCN=VCNtdVdcNTssign(iC)()研究与设计ξEMCA,()  式()表明死区时间效应是在逆变器理想输出相电压上叠加一个畸变电压,该畸变电压与电流的极性相关,而与电流幅值无关,该畸变电压将导致系统电流的畸变。 电压前馈死区补偿方法分析由式()得到畸变电压矢量幅值为:ΔVs=td×Vdc×NTssign(ia)sign(ib)αsign(ic)α()  式中,α为复数旋转因子,α=ejπ。依据三相电流方向的种可能性,将电流矢量的全周期分为个扇区,在每个扇区内,三相电流方向不会发生变化。从式()可知,当三相电流方向不变时,畸变电压矢量是一个幅值不变的恒定电压。因此,根据这个扇区采用电压前馈死区补偿方法分别修正SVPWM算法中给定的电压矢量值,进而修正逆变器输出电压。  图为电流矢量与畸变电压矢量关系图,其基本特征是每个扇区内的电流方向不变、畸变电压矢量的方向为所在扇区角分线的反方向。图演示了扇区II的死区效应补偿策略:当电流矢量在对应扇区内时,施加与畸变电压矢量ΔVs幅值相同、方向相反的补偿电压矢量ΔVs′,以弥补畸变电压矢量造成的死区效应。针对给定电压Vα与Vβ分量,将补偿电压矢量ΔVs′分解为ΔVα、图 电流矢量与畸变电压矢量关系图ΔVβ补偿电压分量,然后采用前馈方式加入SVPWM算法以实现死区时间补偿,对应每个扇区内的ΔVα、ΔVβ补偿电压值见表。图 第II扇区内补偿电压分配  在DSP程序中可以根据电流矢量角度,编写DSP死区补偿程序。首先计算角度并分配扇区编号,然后根据表的补偿量,在每个扇区内分别修正Vα、Vβ,再将加入前馈量的电压矢量值作为SVPWM算法的输入量即可。表 电流空间矢量和补偿电压之间的关系电流矢量角度电流方向(ABC)ΔVs′补偿电压矢量幅值ΔVα补偿电压分量ΔVβ补偿电压分量Iπ<θ<πodΔVsIIπ<θ<πoeΔVsΔVsIIIπ<θ<πofΔVsΔVsIVπ<θ<πoaΔVsVπ<θ<πobΔVsΔVsVIπ<θ<πocΔVsΔVs  电压前馈死区补偿方法简洁有效,便于软件编程实现,关健是如何确定电流矢量位置。本文给出了一种简便地获取电流矢量角的方法:图中,依据id、iq给定值计算出在dq坐标系中的电流矢量is与d轴间的夹角θ,θ加上电机位置角度θ就是死区补偿算法中的电流矢量is角度。图 电流矢量角度,()研究与设计ξEMCA    θ=arctan(iqisid)θ=θθ() 死区补偿仿真及试验分析基于SIMPLORER软件环境搭建了永磁同步电机系统死区补偿研究仿真平台。功率模块采用三菱公司的PMDSA,典型开通时间ton=μs,关断时间toff=μs,电机额定功率为kW,给定同步旋转频率f=Hz,调制波频率fr=kHz,设定td=μs。采用具有死区补偿的永磁同步电机控制系统。图、分别为死区补偿前后仿真得到的电流波形与试验得到的电流波形,可见,仿真得到的电流波形与试验得到的电流波形基本一致。补偿前的电流存在零电流钳位现象,而且波形正负不对称FFT分析表明谐波总畸变量为,电流中含有、次谐波电流,以及由PWM波引起的高频谐波分量(谐波频率k),并且、次谐波是谐波电流中的主要分量,它将导致电机的电磁转矩脉动增大。采用本文介绍的方法补偿以后,谐波次数次次次、次谐波THD总谐波THD谐波比例(a)死区补偿前的电流波形及其谐波含量谐波次数次次次、次谐波THD总谐波THD谐波比例(b)死区补偿后的电流波形及其谐波含量图 死区补偿前后的仿真得到的电流波形及其谐波含量零电流钳位现象已经消除,电流波形得到明显改善,、次谐波显著下降,谐波总畸变量下降为。(a)死区补偿前的电流波形(b)死区补偿后的电流波形图 死区补偿前后试验得到的电流波形 结 语为了减小逆变器死区时间效应引起的电压、电流畸变及电机转矩脉动的影响,提出一种基于SVPWM的电压前馈型死区补偿方法。该方法依据电机系统的给定电流来确定电流矢量的位置可省去硬件检测电路并在SVPWM算法中直接进行电压前馈补偿以削弱逆变器输出的、次谐波电流,抑制电机转矩脉动。该方法软件编程简洁、有效,永磁同步电机系统死区补偿仿真及其试验研究验证了该方法的有效性。【参考文献】 JongWooChoi,SeungKiSulInverteroutputvoltagesynthesisusingnoveldeadtimecompensationJIEEETransactionsonPowerElectronics,,(): HyunSooKim,KyeongHwaKim,MyungJoongYounOnlinedeadtimecompensationmethodbasedontimedelaycontrolJIEEETransactionsonControlSystemsTechnology,,(): 窦汝振,刘钧一种基于SVPWM控制的死区补偿方法J电气传动自动化,,(): 刘军锋,李叶松死区对电压型逆变器输出误差的影响及其补偿J电工技术学报,,(): 陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京:机械工业出版社,收稿日期:

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