关键词：永磁同步电机；电流预测；死区补偿

Abstract: The dead time of inverter decreases the amplitude of voltage fundamental, distortions in phase current, and increases torque ripple, which affects the stability of motor at low speed. Generally, dead time compensation is difficult to get the polarity of the phase current accurately, and there is a wrong compensation. In this paper, based on the evaluation function of current error, we use model predictive control, do not need to detect the direction of current, simplify the calculation process and save system resources. The experimental results show that compared with the traditional methods, dead time compensation based on the new current predictive control can effectively improve the dynamic performance and steady-state accuracy of the system. It is a low cost and efficient method of dead time compensation, which does not need to put forward the dead zone compensation for the output voltage and current.

Key words: Permanent magnet synchronous motor; Current prediction; Dead-time compensation

【中图分类号】TM301 【文献标识码】A【文章编号】1561-0330（2018）09-0000-00

 

1 引言

永磁同步电机（PMSM）以其效率高、体积小、重量轻等优点被广泛应用在许多工业领域。用在该电机上的空间矢量脉宽调制技术（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）在调制逆变器时信息，为了防止上/下桥臂的开关同时导通，两个开关需要加入一段死区时间，而这段死区时间使得输出电压和实际给定电压之间存在误差，会引起电机相电流的畸变、转矩脉动和零电流钳位等问题，每段周期内这些微小畸变累积起来就会造成严重的波形失真和基波电压降，所以对逆变器的死区补偿显得尤为重要[1]。

为了解决死区效应的问题，很多学者做了大量的研究工作，死区补偿的方法也种类繁多。文献[2]根据电流的极性对电压进行不同的补偿，根据电流矢量与电压矢量之间夹角间接判断电流方向，检测难度较大；文献[3]利用增加伏秒积的时间补偿法来抵消死区效应，没有考虑到转速负载变化时需要手动调整的复杂性，应用范围受到局限；文献[4]两相调制法用功率因数角范围取代电流极性判定，解决了电流过零点难以准确检测的问题，并且降低了开关频率，减少损耗；文献[5]提出扰动观测器的在线死区补偿方法，将期望与实际的电压差值作为系统扰动进行补偿，参数调整工作量较大，往往会造成估算延时，补偿效果并不理想；文献[6]通过前馈来抑制死区效应，将反馈电流和指令电流进行比较，差值作为前馈量加入预测指令电压中，感应电机效果较为明显，永磁同步电机效果不大。

本文在分析逆变器死区扰动电压的基础上，将采用一种无需判断电流方向的新型死区补偿策略方法，利用对永磁同步电机系统回路中反馈电流的离散化处理，预测下一时刻与期望电压的差值，进行自适应调整，达到补偿的效果，鲁棒性较强，且大大简化了算法。仿真实验结果证明，基于电流预测控制的死区补偿，有效地提高了系统的动态性能和稳态精度。

2 死区效应分析

永磁同步电机所运用到的空间矢量脉宽调制技术，为使得开关电压矢量接近于给定的参考电压矢量，需要控制电子开关器件的闭合和断开时间，为防止逆变器的同一桥臂直接导通，会依据器件功率不同添加相应的死区时间，而在实际系统中，逆变器的死区时间包括功率管开通时间，功率管正向压降和续流二极管压降造成的等效时间等。

虽然相电压误差相对于三相实际电压很小，但电机低速运行状态下，系统稳定性和动态性能受其影响会被放大，并且逆变器加入死区导致电流在过零点钳位极性不确定的情况下，会出现错误补偿的问题，导致输出电压产生畸变。

3 死区效应补偿策略

3.1 电流预测控制分析

电流预测控制法的基本思路是在第 个采样时刻根据所检测到的负载电流及补偿器输出电流，根据电机的数学模型以及下一个开关周期 时刻的期望电流，计算出符合电流变化的输出电压矢量，然后在 PWM中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，从而迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪下一个时刻参考电流，达到跟 踪输出电流的目的。即利用当前已知状态、电机模型和下一步参考电流，预测使电机电流在第 时刻达到期望电流时所需的电压，用PWM方法施加在逆变器上，使期望实际电流在 步达到期望值。本文利用模型预测控制代替传统的PI控制，其中电流预测控制的方程是基于表贴式永磁同步电机同步旋转轴系下的模型所建立，以电流作为状态变量，矩阵方程如式：

在电机电阻和电感受外部环境影响忽略不计的情况下，与大多数死区补偿的传统方法相比较，节省了系统资源空间，简化了算法，也解决了死区造成的电压差影响电机控制问题。

3.2 自适应死区补偿法

当系统处于无死区的理想情况下，电机电流严格跟随给定值，相电流呈现完美的正弦波。当逆变器控制中插入死区时间后，作用于电机的实际电压与指令电压就存在误差，同步旋转轴系下的电压方程可表示为：

4 仿真及实验结果

4.1 死区的电流预测补偿仿真分析

本文针对永磁同步电机死区补偿需要检测电流极性的复杂问题，提出电流预测的方法，大大简化系统计算过程，如下分别进行仿真与实验验证。仿真利用Matlab/Simulink软件，搭建如图6所示的死区补偿系统。

4.2 实验验证

为了验证电流预测电压死区补偿的系统精度及补偿效果，实验所使用电机为3对极永磁同步电机。开关频率设为15kHz，死区时间设置为200ns，处理器模块采用江苏宏云公司的JMT1808，开关管导通压降为1.8V。

图6为永磁同步电机控制的逆变器死区间隔，图7表示死区补偿后，输入电机的相电压波形，两张示波器图形可以清楚地看出实际系统控制所存在的死区问题、相应的补偿措施对输出电压及谐波抑制的效果。

在补偿前，由于死区效应使相电压存在较大畸变，谐波明显，且电流过零钳位现象突出，电机转速波动较大。补偿后，电机相电流钳位现象消除，畸变程度也得到有效改善。

5 结论

针对SVPWM逆变器死区效应引起的扰动电压，采用电流预测方法实现电压差的在线自适应补偿。该补偿策略依据电机已知参数和实时采样得到的反馈电流，实现死区电压差补偿，避免电流钳位对误差电压的干扰，提高调速系统的适应性。仿真及实验结果表明了该电流预测的死区自适应补偿策略对系统的电流畸变能有效实施补偿。

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