PWM死區(qū)對永磁同步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行性能的影響
史敬灼，石靜
(河南科技大學(xué)，河南洛陽471003)
摘要：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中，PWM死區(qū)引起繞組電流波形畸變，增大電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，PWM調(diào)制深度越小，死區(qū)影響越顯著。從輸出電壓波形、輸出合成電壓矢量兩個(gè)方面，對電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行情況下PWM死區(qū)的影響進(jìn)行了細(xì)致分析，指出死區(qū)導(dǎo)致逆變器輸出電壓矢量波動(dòng)，直接影響電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行性能。
關(guān)鍵詞：承磁同步電動(dòng)機(jī)；驅(qū)動(dòng)；PWM；死區(qū)
中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0005—05
0引言
在基于PWM技術(shù)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中，PWM死區(qū)、功率開關(guān)器件的開通關(guān)斷時(shí)間等非理想因素會(huì)引起繞組電流波形的畸變，增大電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。其中死區(qū)的影響最顯著，死區(qū)對逆變器輸出電壓的影響是多方面的。死區(qū)形成的偏差電壓使實(shí)際輸出的基波電壓在相位和幅值上與理想情況不同[1,2]。另一方面，死區(qū)對輸出電壓的諧波成分也有影響。死區(qū)帶來了一系列的低次諧波，增大了電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[1,2]。同時(shí)，PWM調(diào)制深度越小，輸出電壓基波有效值越小，死區(qū)影響越顯著[1]。而小調(diào)制深度對應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的低速輕載運(yùn)行情況，死區(qū)也就直接影響到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速范圍的擴(kuò)展和定位精度的提高。
關(guān)于PWM死區(qū)對逆變器輸出電壓的影響，已經(jīng)有許多學(xué)者進(jìn)行了研究[1-4]。但是，對于電動(dòng)機(jī)低速輕載運(yùn)行情況下PWM死區(qū)的影響還沒有細(xì)致的分析。這種情況的特點(diǎn)是，PWM調(diào)制深度非常。小，以至于PWM控制脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍與死區(qū)的寬度(時(shí)間)相當(dāng)，甚至小于死區(qū)的寬度。對電動(dòng)機(jī)低速輕載運(yùn)行情況下PWM死區(qū)的影響進(jìn)行細(xì)致分析，有助于了解電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的非線性本質(zhì)，有利于控制器的合理設(shè)計(jì)。
本文以基于DSP的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)研究，討論了電動(dòng)機(jī)低速輕載運(yùn)行情況PWM死區(qū)的影響。
1 DSP生成的PWM控制脈沖的基本特征
本文所述電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中使用的DSP芯片為TMS320LF2407A。該DSP專用于電動(dòng)機(jī)控制，內(nèi)含PWM生成單元，只需設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器就可以生成需要的PWM控制脈沖。圖l為三相逆變器上橋臂功率器件的PWM控制脈沖示意圖，三相控制信號中線對齊，且各自左右對稱。
三相逆變器中，一相上、下橋臂功率器件的PwM控制脈沖為互補(bǔ)信號。為了防止上、下橋臂功率器件直通，PwM控制脈沖需要加入死區(qū)。在上述DsP芯片中，同樣只需設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器就可以加入合適寬度的死區(qū)。
實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)為92BL(3)B75—30三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，額定功率750 w，轉(zhuǎn)子四對極，定子為三相繞組星形接法。
下文分析中，脈寬調(diào)制方法為單極性sPwM，DSP工作頻率設(shè)定為40 MHz，PwM載波頻率取為1O kHz，對應(yīng)的DsP內(nèi)部PwM周期計(jì)數(shù)器取值為2000，PwM比較寄存器可能的取值范圍為O～2000，對應(yīng)于脈沖寬度變化范圍(0～4 000)·(DsP工作周期25 ns)。當(dāng)PwM比較寄存器取值為1 000時(shí)，輸出PwM脈沖占空比為百分之50，對應(yīng)于sPwM調(diào)制波的過零點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)低速輕載運(yùn)行情況下，要求的逆變器輸出電壓幅值低，對應(yīng)的PwM比較寄存器實(shí)際調(diào)節(jié)范圍也就小得多。例如對于實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)，開環(huán)驅(qū)動(dòng)空載轉(zhuǎn)速為3.7 r／m·n時(shí)，PwM比較寄存器調(diào)節(jié)范圍為910～1 090，對應(yīng)的PwM調(diào)制深度為0.09；下文就以此運(yùn)行狀態(tài)為例進(jìn)行分析。
根據(jù)所用功率開關(guān)器件IGBT的特性參數(shù)，PwM死區(qū)時(shí)間取為3μs，對應(yīng)的DsP中死區(qū)計(jì)數(shù)器取值為120。PwM死區(qū)對逆變器輸出電壓的影響是與電動(dòng)機(jī)繞組電流方向相關(guān)的。為便于敘述，下文分析中假定繞組電流與理想輸出電壓同相位。這一假定并不影響分析結(jié)論的規(guī)律。
2 PWM死區(qū)對輸出電壓波形的影響
給定PwM調(diào)制深度，或者PwM脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍，可以通過仿真計(jì)算出輸出相電壓波形。仿真計(jì)算步驟如下：
(1)設(shè)定調(diào)制波(正弦波)初始角度，U相為0。，V相為120。，W相為240。；
(2)查正弦函數(shù)表，得到U、V、W三相當(dāng)前角度對應(yīng)的正弦函數(shù)值；
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