一种三相SVPWM逆变器死区补偿方法

空间矢量脉宽调制/电流极性/死区优化设置/死区效应

1  引言

    空间电压矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）通过在调制周期内产生一个开关序列得到等于电压参考矢量的平均电压矢量，可以获得较高的直流电压利用率和较低的输出谐波[1]，因而得到广泛的工业应用。但在桥式逆变电路中，为了避免同一桥臂上下开关器件的直通，必须插入死区时间。死区时间的存在显然使逆变器不能完全精确的复现PWM控制信号的理想波形，也不能精确地实现控制目标[2]。

    国内外学者对逆变器死区效应做了许多有益的研究，并提出了一系列改善措施[3-7]，文献[3-7]均采用了平均误差电压补偿法，文献[3]还对开关器件管压降和电路中寄生电容对死区效应的影响进行了研究，文献[4]在同步旋转d-q坐标系下，通过d、q轴参考电流和逆变器输出参考角频率来产生电压前馈补偿信号，文献[5]采用电机的数学模型预测定子电流对参考电压矢量进行调整，文献[6]根据电流基波和5、7次谐波表征的谐波畸变，引入两个满足收敛性可自调整的变量，实时调整以这两个变量为函数的电压补偿信号，文献[7]通过讨论输出电压矢量和三相电流方向的关系，将三相电流分成六个区域，在每个区域只对其中一相补偿。但上述所采取的死区补偿方案都属于被动补偿，即死区效应已经发生后，根据理想输出和实际输出之间的偏差进行开环或闭环补偿。本文在对三相SVPWM逆变器死区效应分析的基础上，采用优化的死区设置方法，主动避开死区效应，以达到补偿目的，并通过MATLAB仿真和实验验证了其有效性，证明该死区优化设置补偿法是正确的。

2  三相SVPWM逆变器死区效应分析

图1  三相桥式PWM逆变器主电路原理图

图2 传统死区设置时逆变器A相工作过程

    图1为感应电机PWM逆变器的原理图。按照传统死区时间设置方法即上下管均采用“延时开通”来加入死区时间，以A相为例分析其死区效应，其它相工作过程和其类同。该桥臂上下开关管理想无死区驱动波形如图2(a)、(b)所示，传统方法加死区补偿后上下管驱动波形如图2(c)、(d)所示，理想驱动波形时的理想输出电压vao波形如图2（e）所示，加死区后的实际输出电压分为两种情况，电流从逆变器流向电机（ia>0）时的实际输出电压vao1如图2（f）所示，电流从电机流向逆变器（ia<0）时的实际输出电压vao2如图2（g）所示。忽略ia=0时的瞬态影响时，桥臂上下开关管在上升沿和下降沿死区时间Td内共有以下四种续流情况：

    （1）ia>0时，V1 从开通到关断，V4 从关断到开通，电流经D4续流，vao被箝位到低电位，此时理想输出应为低电位，所以输出电压不受死区影响。

    （2）ia>0时，V1 从关断到开通，V4 从开通到关断，电流经D4续流，vao被箝位到低电位，而此时理想输出应为高电位，所以输出损失了一个宽度为Td的电压脉冲。

V1～V6—主电路开关器件D1～D6—续流二极管

    （3）ia<0时，V1 从关断到开通，V4从开通到关断，电流经D1续流，vao被箝位到高电位，此时理想输出应为高电位，所以输出电压不受死区影响。

    （4）ia<0时，V1 从开通到关断，V4从关断到开通，电流经D1续流，vao被箝位到高电位，而此时理想输出应为低电位，所以输出增加了一个宽度为Td的电压脉冲。

    由以上分析可知，由于交流相电流存在续流阶段，而PWM开关周期远小于基波周期，故在一个开关周期内电流ia可以看作为方向不变，输出电压由与ia方向一致的那个开关管的实际开关脉冲决定，即ia>0时，vao1由T1 ’开关脉冲决定而不受T4’影响，如图2(c)、(f)所示；ia<0时，vao2由T4’开关脉冲决定而不受T1’影响，如图2(d)、(g)所示。

3  基于三相SVPWM的死区效应主动补偿

    传统的死区时间设置方法是上下管驱动信号均“延时开通”，通过上面分析可知，这种死区设置方法在死区时间内有四种工况，其中两种工况不会产生死区效应无电压变化，且与相电流方向和开关管状态变化相关。结论为：ia>0时，不改变下开关管驱动信号，则无死区影响；ia<0时，不改变下开关管驱动信号，则无死区影响。

    基于以上结论，可以依据电流方向采用同一桥臂上下开关管中某个开关管驱动信号同时采用“延时开通”和“提前关断”产生死区，而另一个开关管驱动信号不加死区保持不变的方法[8]以避开死区效应。具体做法为：ia>0时，只改变下开关管驱动信号的下降沿和上升沿（同时加入“提前关断”和“延时开通”两种死区），上开关管驱动信号不变，如图3（b）所示；ia<0时，只改变上开关管的上升沿和下降沿（同时加入“延时开通”和“提前关断”两种死区），下开关管驱动信号不变，如图3（c）所示。图3（a）为a相上下开关管理想无死区驱动信号，图3（d）为理想驱动波形时的理想输出电压vao，图3（e）为ia>0和ia<0时的实际输出波形vao1，显然vao和vao1波形一致，消除了死区效应。另外考虑实际系统的零电流箝位现象，ia=0时，不进行死区补偿，以免产生误补偿。类似可对b、c相采用优化死区设置补偿法。

 图3 优化死区设置时逆变器A相工作过程

4  仿真和实验结果

    基于以上分析，用MATLAB软件对三相SVPWM逆变器带三相对称RL负载（R=5Ω，L=2mH）系统进行仿真验证。其中SVPWM算法及其优化死区时间设置通过Embeded Matlab Function模块M语言编程实现，传统死区时间设置通过Discrete On/off Delay模块实现，Vdc=550V，PWM开关频率f=5kHz，SVPWM的给定为两个相位互差90°的正弦信号，用以模拟实际电机拖动系统中控制器实时产生的参考电压空间矢量，其幅值设为310V，频率设为50Hz，考虑便于观测电流波形的畸变程度，死区时间设定为10μs。仿真结果如图4所示，附表列出了各类工况时的a相电流ia总畸变率及其5、7、11、13次谐波含量。

附表 各类工况时a相电流ia的总畸变率及5、7、11、13次谐波含量

(a)无死区时间设置   (b)传统“延时关断”法设置死区时间  (c)优化死区时间设置

图4  a相电流ia的FFT频谱分析

    将该补偿方法应用到异步电机变频调速系统中，系统的控制方法采用传统V/F控制，用二极管不控整流经电容滤波获得直流电压，交流输入侧电压为180V，逆变器功率模块采用EUPEC公司的BSM50GB120DLC模块，主控制器采用美国TI公司数字信号处理器TMS320F2812，用LEM公司的LA28-NP电流传感器检测三相电流经主控板上的滤波器和偏置电路处理后送入DSP用于进行优化死区时间设置，程序中具体做法是：以a相为例，主程序中同时开启DSP的下溢中断和周期中断，下溢中断时，若ia>0，则EV模块比较寄存器中的值CMPRx=t-dt，若ia≤0，则CMPRx=t；周期中断时，若ia≥0，则CMPRx=t，若ia<0，则CMPRx=t+dt。其中t为SVPWM算法计算出的理想比较值，dt为死区时间，其他两相的方法类同。异步电机参数为：额定功率P=2.2kW，额定转速n=1420r/min，额定电压380V，额定电流5A。逆变器死区时间设置为3.2μs，PWM调制频率为5kHz，负载为2kW直流电机。图5、图6和图7分别为电机工作在10Hz、20Hz和30Hz时死区补偿前后的电流波形，图8为电机工作在30Hz时死区补偿前后电流波形的FFT分析，补偿前的THD为4.7%，补偿后的THD为3.7%。

 （a）补偿前波形      （b）补偿后波形

图5  10Hz时电流ia实验波形

 （a）补偿前波形      （b）补偿后波形

图6  20Hz时电流ia实验波形

(a)补偿前波形     (b)补偿后波形  

图7  30Hz时电流ia实验波形         

(a)补偿前     (b)补偿后

   图8  30Hz时电流ia实验波形FFT分析

    由仿真结果可以看出优化死区时间设置法的电流畸变率及谐波含量和无死区设置时几乎相同，很好的消除了死区效应，由实验结果可以看出本方法较好的改善了输出电流波形。

5  结束语

    本文针对空间矢量脉宽调制方法，根据对电流极性的判断，只对逆变器每相桥臂的一个开关管加入死区来避开死区效应的发生，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和补偿措施的有效性。

    由于实际控制系统中存在的零电流箝位现象所以在电流幅值很小的某个区域内，无法实现死区的优化设置，死区效应依然存在，提高电流检测精度和尽量缩小这个区域范围会得到更好的效果，这方面内容会在后续的工作中做进一步研究。

曹 兴   戴 鹏   夏 帅   刘 贺   于月森

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