孫正海 王劍平 楊曉紅等

摘要對SVPWM伺服系統(tǒng)死區(qū)效應(yīng)及在線死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討。常用的平均死區(qū)時間補(bǔ)償技術(shù)是根據(jù)參考電壓伏秒面積等于補(bǔ)償后伏秒面積原則，由于難以準(zhǔn)確地得到電流的極性所以可能出現(xiàn)誤補(bǔ)償。該文在分析了死區(qū)效應(yīng)對輸出電壓電流影響的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本的死區(qū)補(bǔ)償方法。并通過將相電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計算電流矢量角，間接判斷電流極性準(zhǔn)確的求出了電流的過零點，從而得到較好的補(bǔ)償效果。最后在基于TMS320F2812研發(fā)的伺服驅(qū)動器上測試軟件，結(jié)果證明了該方法的正確性，有效地減小了死區(qū)時間造成的電流畸變并使零電流箝位現(xiàn)象得到明顯改善。

關(guān)鍵詞死區(qū)補(bǔ)償；在線測量；零電流箝位；伺服系統(tǒng)

中圖分類號S22文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）31-340-04

Online Novel Deadtime Compensation Method of Agricultural Servo Motor

SUN Zhenghai， WANG Jianping*， YANG Xiaohong et al

（College of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract The deadtime effect of SVPWM servo system and online deadtime compensation method was discussed. Common average deadtime compensation is based on the principle that the voltsecond area of reference voltage equals to the voltsecond area after compensation. It is difficult to obtain accurate polarity of the current， so error compensation may appear. After analyzing the dead zone effect on the output voltage and current influence， this article proposes a lowcost method of deadtime compensation. And by the phase current rotating coordinate transformation to calculate the current vector angle， indirectly determining the current polarity， it can accurately calculate current zero crossings and obtain better compensation effect. Finally， based on TMS320F2812 developed low pressure servo drive test software. It proves the correctness of the method which effectively reduces the dead time caused by the current distortion and zerocurrent clamping phenomenon has been significantly improved.

Key words Deadtime compensation； Online measurement； Zerocurrent clamp； Servo system

目前伺服電機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，而對于理想的農(nóng)業(yè)伺服電機(jī)功率器件而言，門級驅(qū)動信號應(yīng)該是互補(bǔ)的。但是對于實際的功率器件而言，為了防止上下橋臂的開關(guān)直通，兩個開關(guān)需要加入一段死區(qū)時間，正是這段空白時間使得輸出電壓和實際給定電壓之間存在誤差。而每個斬波周期內(nèi)引起的微小畸變積累起來就會造成嚴(yán)重的波形失真和基波電壓降。隨著開關(guān)頻率的增大，電壓失真和諧波成分也越大。由死區(qū)時間造成的死區(qū)效應(yīng)會使輸出電壓電流畸變，出現(xiàn)零電流箝位現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動，嚴(yán)重影響了伺服驅(qū)動器的性能[1-3]。如果不對這部分進(jìn)行補(bǔ)償，可能會造成電壓不穩(wěn)定和額外的機(jī)械損耗。

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的關(guān)于死區(qū)時間補(bǔ)償方法中，最主要是基于平均值理論的補(bǔ)償技術(shù)[4-7]和基于脈沖的補(bǔ)償方法[8-9]。基于平均值理論的補(bǔ)償技術(shù)將由于死區(qū)效應(yīng)減少的電壓平均到整個周期里，并且補(bǔ)償?shù)绞噶恐噶铍妷豪?，這種方法的難點在于準(zhǔn)確的獲得電流的極性，避免誤補(bǔ)償?；诿}沖補(bǔ)償法雖然可以獲得一個較好的補(bǔ)償效果，但是在每個斬波周期里占用的采樣過程較長。目前，國內(nèi)驅(qū)動器所用芯片RAM資源有限，因此，在功能性程序占用了大量資源的情況下，這種方法不是一種很好的解決方案。而其他的一些方法要么需要額外增加硬件設(shè)備，要么控制算法復(fù)雜占用了過多的系統(tǒng)資源[10-11]。

該文提出了一種新型死區(qū)補(bǔ)償方法，并且通過對電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和其矢量角的應(yīng)用，從而間接判斷電流極性。這種方法易加入到現(xiàn)有的伺服驅(qū)動器中，無需增加額外的硬件設(shè)備，只需添加少量代碼。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于研發(fā)的低壓伺服驅(qū)動器，并取得了很好的效果。

1死區(qū)效應(yīng)

國內(nèi)目前的驅(qū)動器產(chǎn)品，一般是將死區(qū)時間配置成上升沿延時導(dǎo)通。現(xiàn)以三相電壓型逆變器的A相進(jìn)行分析，如圖1。調(diào)制信號和載波信號相互比較后產(chǎn)生理想的門級驅(qū)動信號。由于死區(qū)時間的加入，上下橋臂的功率開關(guān)在這期間都處于阻斷的狀態(tài)。

從圖2（d）、（e）的時序可以看出，死區(qū)時間造成了實際輸出電壓和給定電壓之間的誤差，在ia>0時缺少了寬度為ts的電壓脈沖，在ia<0時多出寬度為ts的電壓脈沖。在開關(guān)頻率不變的情況下，這個誤差隨死區(qū)時間的增大而增加。使得輸出電壓基波幅值減小，并產(chǎn)生了與死區(qū)時間和載波比成奇數(shù)次的諧波，在低速時尤為明顯。

2死區(qū)補(bǔ)償方法

采用一種新穎的死區(qū)補(bǔ)償方法，能有效改善由死區(qū)效應(yīng)造成的影響。仍以A相來分析。當(dāng)ia>0，上橋臂K1和續(xù)流二極管D2交替導(dǎo)通，無論K2是否有門級使能信號，都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時K2是不控橋臂；同理當(dāng)ia<0 時，K2和續(xù)流二極管D1交替導(dǎo)通，無論K1是否有門級驅(qū)動器信號，都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時K1是不控橋臂。

這里采用一種改進(jìn)的死區(qū)時間配置方法，原理如圖3所示。其中（a）圖為A相上下功率開關(guān)管的理想驅(qū)動信號；當(dāng)ia>0時，不對K1設(shè)置死區(qū)時間，確保其有準(zhǔn)確的開斷時間，而提前ts給K2關(guān)斷信號，并延時ts給開通信號，如圖3（b）；當(dāng)ia<0時，不對下管K2設(shè)置死區(qū)時間，確保其有準(zhǔn)確的開斷時間，而延時給K1開通信號，并提前給關(guān)斷信號，如圖3（c）。

圖3（d）為理想輸出電壓，圖3（e）為實際輸出電壓?？梢姴捎蒙鲜鏊绤^(qū)補(bǔ)償方法后，實際輸出電壓與理想輸出電壓一致，從而避免了死區(qū)效應(yīng)給輸出電壓帶來的影響。

3電流極性判斷

準(zhǔn)確的判斷出相電流過零點對死區(qū)補(bǔ)償來說至關(guān)重要?，F(xiàn)有實際應(yīng)用技術(shù)當(dāng)中大多通過硬件AD采樣相電流的方法判斷電流極性。這樣得到的相電流諧波含量很高，易造成誤補(bǔ)償；同時由于噪聲干擾和零電流鉗位現(xiàn)象的影響，在過零點的附近會出現(xiàn)多個過零點，因此難以獲得真實的電流過零點。若采用直接對采樣電流進(jìn)行濾波又會使獲得的電流信號大大滯后，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)和電流環(huán)帶寬。

將相電流轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，經(jīng)過低通濾波器將高頻成分濾掉后，利用變換后的值來計算電流矢量的空間位置角，如圖4所示。θ為定子角頻率ω的積分角，φ是電流矢量與d軸的夾角由式（1）而定。isq和isd分別是經(jīng)過濾波后的值。由式（2）可以得到電流矢量的空間絕對位置角θs。通過這種間接定位的方式增加了判斷電流極性的精度。

φ=sin-1（isq/isd）（1）

θs=θ+φ（2）

如圖5所示，電流空間矢量扇區(qū)分為6個區(qū)域。類似于電壓空間矢量，通過電流矢量所在扇區(qū)就能獲得到電流極性。當(dāng)其經(jīng)過相鄰區(qū)間的時候即是其中一相的過零點。

4試驗平臺

為測試上述改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償算法的有效性和可行性，通過軟件仿真并移植到現(xiàn)已研發(fā)的低壓伺服驅(qū)動器上進(jìn)行測試分析。該測試平臺是基于TI公司TMS320F2812作為主控芯片研發(fā)的三閉環(huán)SVPWM低壓伺服系統(tǒng)。功率器件采用IRF540N，通過IR2106S模塊進(jìn)行驅(qū)動。電流以200 mΩ電阻采樣，經(jīng)過信號調(diào)理電路送至DSP。軟件系統(tǒng)主要架構(gòu)包括：內(nèi)部電流環(huán)PI控制器，電流給定陷波濾波器；速度環(huán)PI控制器，反饋二階濾波器，加速度前饋控制器；位置環(huán)P控制器，位置前饋控制以及位置指令平滑濾波等部分。具有外部脈沖模式，內(nèi)部位置、速度模式等。同時開發(fā)了上位機(jī)軟件監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)，可以更方便直觀地進(jìn)行測試。在一臺400 W電機(jī)上進(jìn)行試驗，具體電機(jī)參數(shù)見表2。

5測試結(jié)果與分析

DSP中功率開關(guān)死區(qū)時間配置為3.3us，斬波周期為01 ms，電流環(huán)帶寬最大1.5 kHz。在保證三環(huán)系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，分別測試了以下3種情況的相電流波形：無死區(qū)補(bǔ)償；直接用三相電流采樣值判斷極性的死區(qū)補(bǔ)償；以及改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償。通過將電流環(huán)的給定參考信號設(shè)置為不同幅值和頻率的正弦波，同時監(jiān)控上位機(jī)和示波器上的反饋相電流波形來觀察其正弦性和跟隨性，如圖6、7所示。

從圖6（a）和圖7（a）中可以看出（電流鉗×100檔），由于死區(qū)效應(yīng)的影響，電流波形畸變明顯。尤其零電流鉗位現(xiàn)象使電流過零附近出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。同時在波峰和波谷的位置均發(fā)生波形失真。圖6（b）和圖7（b）所示傳統(tǒng)死區(qū)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果仍然存在較大的諧波。當(dāng)加入改進(jìn)型死區(qū)補(bǔ)償之后如圖6（c）和圖7（c），電流波形得到很大改善，零電流鉗位幾乎消失 。傳統(tǒng)補(bǔ)償方法相電流諧波畸變率為13.39%，而改進(jìn)后諧波畸變率明顯降低只有5.96%，如圖8所示。

6結(jié)論

首先分析了死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的原因和影響。然后針對農(nóng)業(yè)伺服驅(qū)動器提出了一種新的死區(qū)時間配置方法，有效的利用了不可控開關(guān)，保持有效橋臂開斷時間準(zhǔn)確等于理想時間。提出通過計算電流矢量角來間接判斷電流過零點的方法，有效的避免了直接檢測電流極性帶來的誤差，提高了判斷的精度。這種死區(qū)補(bǔ)償方法不需要增加硬件設(shè)備，只需要增加少量代碼就可實現(xiàn)，可移植性強(qiáng)，降低系統(tǒng)成本。經(jīng)過試驗證明該方法具有很好的效果，并已經(jīng)成功的應(yīng)用在開發(fā)的伺服驅(qū)動器上。

參考文獻(xiàn)

[1] 李洪亮，許奔，賀誠，等.死區(qū)補(bǔ)償零電流箝位現(xiàn)象的研究[J].電測與儀表，2013（2）：121-124.

[2] 胡淵，蔣銳，韓淳.SVPWM逆變控制的死區(qū)補(bǔ)償策略[J].電氣技術(shù)，2011（3）：1-3.

[3] 楊武蓋.基于死區(qū)補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)低速運(yùn)行穩(wěn)定性研究[J].微電機(jī)，2014（11）：67-71.

[4] BOSE B K.Power electronics and variable frequency drives[M].New York：IEEE Press，1996.

[5] 程小猛，陸海峰，瞿文龍，等.用于逆變器死區(qū)補(bǔ)償?shù)目臻g矢量脈寬調(diào)制策略[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（7）：1077-1080.

[6] 高旭東，秦進(jìn)平.一種新穎的SVPWM死區(qū)補(bǔ)償方法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2013（1）：99-103.

[7] 圣立明，畢淑娥，何強(qiáng).基于數(shù)字信號處理器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的死區(qū)補(bǔ)償[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010（11）：32-35.

[8] 孫向東，鐘彥儒，任碧瑩，等.一種新穎的死區(qū)補(bǔ)償時間測量方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003（2）：107-111.

[9] 胡慶波，呂征宇.一種新穎的基于空間矢量PWM的死區(qū)補(bǔ)償方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005（3）：15-19.

[10] 楊榮峰，陳偉，于泳，等.自適應(yīng)濾波在電流矢量死區(qū)補(bǔ)償方法中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009（7）：65-69.

[11] 楊榮峰，陳偉，于泳，等.自適應(yīng)濾波在電流矢量死區(qū)補(bǔ)償方法中的應(yīng)用[J].電力電子，2008（4）：36-39.