一种补偿PWM逆变器死区效应的新方法 (1)
死区补偿总结
死区补偿技术 清华大学电机系 缪学进 1 引言 微处理和电力电子技术的迅速发展，极大地促进了PWM技术的发展和应用，各种PWM 交流传动技术在工农业生产、国防和日常生活中得到了广泛的应用。我们知道，任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输出信号是不可控制的。三相桥式逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作于互补状态。由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此，如果将互补的控制信号加到同一桥臂上两个开关器件的控制极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。所以目前的逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术即将理想的PWM控制信号上升沿或下降沿延迟一段时间，在这段时间内输出信号是不可控的，这就是死区时间[1]。死区的存在使逆变器不能完全精确复现控制信号的波形，输出电压产生幅值和相位的误差。由于死区的作用，每一个调制周期内引起的微小畸变经积累后，必然会使逆变器的输出电流波形产生畸变，它不但会降低基波幅值，而且会产生低次谐波，直接影响电动机在低速下的运行性能。过去为了消除死区的影响，通常采用硬件和软件相结合的解决方案，但硬件补偿方法存在着检测精度差、滞后以及实现困难等问题。微处理器在电机控制中的应用使死区补偿变得容易，尤其是TI公司的专为电机控制设计的2000系列处理器（如TMS320F240、TMS320LF2407、TMS320F2812等）在芯片内部集成了专门的硬件电路进行死区补偿，减少了电压误差，可以获得满意的效果。 2 死区效应分析 三相电压型逆变器的基本构成如图 1 所示，与电流型逆变器相比，电压型逆变器可以提高逆变器的开关频率，有利于快速控制和抑制逆变器噪声，并且输出阻抗小，适合于交流电机调速控制。 为了防止逆变器区桥臂的上下功率开关发生直通，在上下功率开关改变状态时必须插入死区时间，即先将已开通的功率管关断，插入一定的死区延时，再开通另一个处于关断状态的功率管。
SVPWM中全新的死区时间效应补偿方法
ＳＶＰＷＭ中全新的死区时间效应补偿方法 杨来坡王泰宇徐鸿李千里 安徽中家智锐科技有限公司 摘要：文章对３相逆变的死区时间效应进行了分析，同时给出了一种全新的针对永磁同步电机驱动中死区效应的补偿方法。该方法同时考虑了零电流钳位和寄生电容的影响，经过计算和实际验证，确实改善了死区效应的影响。本方法理论分析的有效性及其实际效果都通过在空调直流电机驱动控制应用中得到了充分验证。 关键词：三电平逆变器；死区时间；补偿；ＰＷＭ Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＶＰＷＭ Ｌａｉｐｏ ＹａｎｇＴａｉｙｕ ＷａｎｇＨｏｎｇ ＸｕＱｉａｎｌｉ Ｌｉ Ａｎｈｕｉ Ｃｈｅａｒｉ Ｚｈｉ Ｒｕｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅｓ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ａ Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｔａｋｉｎｇ ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｄａｍｐ ａｎｄ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ Ｄｅａｄ－ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔ， ｗｉｔｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｔｔｌｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ Ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ ｍｏｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；Ｄｅａｄ ｔｉｍｅ；Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ＰＷＭ
液压泵马达死区补偿
（４）死区补偿控制 滑阀式比例阀在阀芯运动起点（节流阀）或中位附近（方向阀）带有一定的遮盖量（即死区）。该死区减小零位阀芯泄漏，并在例如电源失效或急停工况提供更大安全性。然而阀芯遮盖的影响意味着必须向阀电磁铁线圈提供一定的最小信号值，然后系统中才出现可感觉到的动作。如图11-6(a)所示。 为了降低成本，改善工艺性，比例方向阀的节流边约有15%~20%I max的覆盖量，通常正反两个方向均有死区存在，且其大小不同。为了提高控制质量，需要设法消除该死区，常用的方法是利用阶跃信号产生快调电路，是阀芯迅速越过死区，如图11-6（b）所示。 图11-6（a）死区的形成图11-6（b）死区补偿（5）斜坡控制与方向识别 斜坡信号用于控制信号的上升变化和下降变化的速度（如摊铺机的起步，停机过程，前后行驶控制中死区的过渡等），使当输入阶跃信号时，能够以可调的速率无冲击的到达给定值的要求，从而获得平稳而迅速的起动，转换或停止，进而提高机器的作业效率。放大器上的可调的斜坡函数发生器实际上是通过电位器调整斜坡信号的角度，而不是斜坡时间，如图11-7（a）所示。现代数字控制技术中，为了实现更精确和舒适性的要求，其斜坡的形式利用软件技术可以按人为设计的曲线形式来控制。 在比例方向阀放大器中，象限识别（即方向识别）用于两个运动方向的加速和减速控制，如图11-7（b）所示。图中比例阀控制执行器，电磁铁a通电使缸活塞沿“前进”方向移动。加速度可由加速斜坡A来控制。为了使活塞运动反向，活塞先以由减速斜坡D确定的变化率减速，随着阀芯越过中位和电磁铁b通电，活塞在此以加速斜坡A确定的变化率沿后退方向加速，因而可以看到，在X与Y点之间阀芯在阀体中沿同一方向运动，但阀芯运动速度会在
SVPWM逆变器死区效应补偿方法的研究
SVPWM逆变器死区效应补偿方法的研究 DEAD-TIME COMPENSATION FOR VECTOR-CONTROL INDUCTION MOTOR PWM INVERTER 王高林，贵献国，于泳，徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江省 哈尔滨市 150001） (Email: Wanggl@https://www.360docs.net/doc/68381974.html,, Xianggui@https://www.360docs.net/doc/68381974.html,, Yuyong@https://www.360docs.net/doc/68381974.html,, Xudiang@https://www.360docs.net/doc/68381974.html, ) 摘要：针对伺服系统矢量控制系统，提出了一种可以补偿死区误差电压并消除零电流钳位效应的死区补偿方法。在分析了影响死区效应的因素以及等效死区时间的表达式的基础上，采用平均死区时间补偿法，在两相静止轴系中对等效死区时间产生的误差电压进行了补偿。为了提高电流极性检测的准确性，利用旋转轴系中的励磁电流和转矩电流分量经过坐标反变换，判断电流在两相静止轴系所处的扇区来决定需要施加的补偿电压。另外为了更好地消除由于死区时间而产生的零电流钳位效应，将一种消除零电流钳位效应的方法结合到上述补偿方法中。最后通过TMS320F2812 DSP芯片来实现补偿算法，并在11kW 伺服电机矢量控制系统中验证了补偿算法的有效性。 ABSTRACT: A dead-time compensation strategy is presented to compensate dead-time error-voltage and eliminate zero-current clamping effect for servo motor vector control system. The factor influencing dead-time effect is analyzed, and expression of equivalent dead time is deduced. Average dead-time compensation technique is adopted to compensate error-voltage at two-phase stationary frame. To improve accuracy of detection of current direction, components of magnetizing current and torque current are transformed into two-phase stationary frame. Therefore compensating voltage vector can be decided according to the sector the current vector is locating. In addition, a kind of zero-current clamping effect eliminating scheme is adopted combining with the above compensation method to improve the compensation performance. The proposed compensation method is performed with TMS320F2812 DSP chip. Experimental results demonstrate the efficiency of the dead-time compensation method in 11kW servo motor vector control system. 关键词：伺服系统，空间矢量PWM，死区效应，零电流钳位，补偿 KEY WORDS:servo system; space vector PWM; dead-time effect; zero-current clamping; compensation 1 引言 由于伺服系统在各种工业场合应用非常普遍，永磁伺服电机相关控制技术研究也获得了广泛重视，其中空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）一直是一个热门的研究课题[1,2]。在SVPWM逆变器中，为了防止同一桥臂的两只开关管产生直通，需要在两只开关管的开通与关断时刻之间加入一定的死区时间，所产生的死区效应会造成逆变器输出电压基波分量减小、输出电流波形畸变及输出转矩脉动[3]。在感应电机矢量控制场合，往往需要知道电压的状态量，由于输出电压是由离散的脉冲组合而成难以测量，通常直接将参考电压当作输出电压。但与参考电压相比，实际的输出电压由于受死区时间影响而与参考电压有所差别。因此为了能够进一步提高感应电机的控制性能，有必要对死区效应进行有效地补偿。 已经有众多学者对死区效应进行了研究，并提出了许多补偿方法[3-10]。这些方法基本上可以分为两种，一种是基于平均误差电压补偿法，这种方法具有易于实现的优点，缺点是补偿不够精确，后来又有学者对开关器件管压降引起的附加死区时间，以及电路中寄生参数对死区效应的影响进行了研究[11,12]。另一类方法是基于脉冲的补偿方法，这种方法可以对死区时间进行较精确地补偿，但对控制芯片的要求也更高，要求在一个PWM载波周期内进行两次采样[12]。死区补偿中电流极性的检测很重要，如果对电流过零点判断不够准确反而会引起误补偿。尽管很多补偿方法能够取得不错的补偿效果，但在低速轻载的场合，经常会发生零电流钳位的现象，使输出电流产生畸变[12]。本文研究了一种采用平均误差电压补偿法并结合消除零电流钳位效应的方法对感应电机PWM逆变器的死区效应进行了补偿，最后在11kW伺服
永磁同步电机逆变器死区补偿技术
永磁同步电机逆变器死区补偿技术 现今工业伺服驱动中多采用驱动永磁同步电动机(PMSM)的交流伺服系统，其交流驱动单元使用三相全桥电压型逆变器。PWM调制的变频控制技术实现了对交流电机动态转矩的实时控制，大大提高了伺服系统的控制性能。 然而，对于PWM逆变器，在驱动功率管的开关信号中插入延时时间以防止直流母线直接短路，延时时间的引入将导致死区时间效应，引起逆变器输出波形的畸变和基波电压的降落，影响了伺服系统性能的进一步提高。 为补偿Td引起的电压波动，研究人员提出了各种补偿方法，大致可划分为三类。 最普遍的方法是在电流极性相同的区间内，根据缺少的脉冲列相应加上极性相反的脉冲列，以抵消其影响。由于三相电流必有一相与另两相极性相反，一种简单的方法是对极性相反的相实行二倍的电压过补偿，使三相电压死区影响相互抵消，线电压波形为正弦形。详细分析了死区产生的原因和影响，并根据模拟调制和数字调制分别给出了死区的硬件电路补偿方法。文献[3]根据全桥电路的开关状态，提出了一种带死区补偿的逆变器数学模型，该模型的特点是由简单的滞环结构组成，根据此模型可由一计算公式实现死区补偿。 第二类方法是根据无效器件原理实现死区补偿的。在任意时刻，逆变器每一桥臂两个功率器件中只有一个是有效的。当上桥臂器件关断时，不论下桥臂器件是否导通，输出电压都是直流母线的负端电压，此时称下桥臂器件是“无效”的。死区补偿的办法是，维持有效器件的驱动信号不变，改变无效器件的驱动信号使之满足设置死区的要求。既然“无效”器件的通、断并不影响输出电压状态，那么也就不需要驱动信号了，只给有效器件发出驱动信号就可以了，这样也就不需要加入死区，也就没有什么死区补偿的问题了。但该方法在电流过零点处会由于误差导致畸变，因此使用这个方法时要注意电流过零区域的处理。一些学者进一步提出了改进方法。在电流过零点加一滞环，在滞环时间内使用正常的开关死区保护，可减小畸变。由于电流采样中的干扰和电流变化的复杂性，文献[5]在电流过零点附近的区域应给出两路驱动信号并加入死区及死区补偿。利用PWM关断时刻实现换流时的开关死区保护，可消除开关死区的影响。 第三类方法是电流预测控制。建立较为准确的电机系统模型，分析电流波形的畸变量，通过电流的预测控制来实现电流波形的校正。提出了预测电流控制的死区问题，通过估计反电势补偿电压波形畸变和电流零点钳位现象。文献[7]建立异步电机模型的矩阵方程，根据对SVPWM算法里定子相电流的预测，补偿其空间电压矢量。利用d-q旋转坐标系下的PMSM 模型设计观测器，观测q轴损失的电压，通过公式折算成需补偿的死区时间Tc，实现死区的在线补偿。时间延迟控制来估计死区导致的干扰电压，并将其反馈到电压参考给定上以补偿死区影响。电流预测方法计算繁琐，且补偿效果与电机模型的精度和时变的参数值直接相关，不易得到满意的效果。 逆变器死区的影响 由PWM死区时间产生的基本原理可知，引起的逆变器输出电压的偏差脉冲在绕组电流周期T1内的电压偏差可用一方波来等效，为了分析方便，假定电压偏差脉冲在时间上是等
基于直流电压调节的死区效应削弱方法研究
第４７卷 ２０１４年 第６期６月ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳＶｏｌ畅４７畅Ｎｏ畅６Ｊｕｎ畅２０１４ 收稿日期：２０１３１０２１ 作者简介：王晓远（１９６２），男，博士，教授，研究方向为电机电器的设计与控制。 张志军（１９８７），男，硕士，研究方向为电机电器的设计与控制。基于直流电压调节的死区效应削弱方法研究 王晓远，张志军 （天津大学电气与自动化工程学院，天津３０００７２） 摘 要：在变频调速系统中为了防止同一桥臂上的两只开关管直通引入死区时间，但它造成相电流畸变转矩脉动。本文通过分析系统在轻载低速运行时的特点提出了一种基于直流母线电压调节的死区削弱方法，虽然此方法不能完全消除死区效应，但可以在不增加系统芯片运算量的情况下极大地改善电流波形，降低转矩脉动。最后通过仿真和实验分别验证了该方法的有效性和可行性。 关键词：变频调速；死区时间；脉宽调制 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－６８４８（２０１４）０６－００２２－０４ ＳｔｕｄｙｏｎＤｅａｄＺｏｎｅＥｆｆｅｃｔＷｅａｋｅｎｅｄＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎＤＣＶｏｌｔａｇｅＲｅｇｕｌａｔｉｏｎ ＷＡＮＧＸｉａｏｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｉｊｕｎ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｓａｍｅｂｒｉｄｇｅａｒｍｔｗｏｓｗｉｔｃｈｔｕｂｅｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｄｅａｄｚｏｎｅｏｆｔｉｍｅ，ｂｕｔｉｔｃａｕｓｅｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅ畅ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍｉｎｌｉｇｈｔｌｏａｄｓｌｏｗｒｕｎｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎＤＣｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅａｄｚｏｎｅｗｅａｋｅｎｍｅｔｈｏｄ，ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｎｏｔｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｅａｄｚｏｎｅｅｆｆｅｃｔ，ｂｕｔｃａｎｎｏｔｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｎａｃｈｉｐｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｇｒｅａｔｉｍｐｒｏｖｅｃｕｒ－ｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｔｏｒｅｄｕｃｅｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅ畅Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃ－ｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ畅Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄ；Ｄｅａｄｚｏｎｅｔｉｍｅ；Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ０ 引 言 脉冲宽度调制（ＰＷＭ）技术现已普遍用于整流逆 变调速等系统中。在使用ＰＷＭ技术时为了防止同一 个桥臂的两个管开关上下直通，需要在开通和关断 时刻之间加入一定的死区时间。由死区时间所产生 的死区效应使得逆变器输出电压的基波分量减小、 谐波增大，造成电流波形畸变导致转矩脉动。 死区效应的补偿问题是逆变器、变频调速等系 统开发过程中的一个重要难点。针对死区问题已有 不少文献做过相应的研究，其基本原理都基于一个 本质［１－５］：增大或减小给定脉冲宽度使其实际大小与 期望大小相等。 本文通过分析逆变器在低频轻载和高频重载下 的死区效应影响的区别，提出了一种基于直流母线 电压调节的死区效应削弱方法，该方法通过改变直 流母线电流可以极大地降低死区效应对低频轻载时的影响。 １ 死区效应及其影响因素分析理想ＰＷＭ逆变器单个桥臂的一个开关管关断时另一个管子立刻开通，但实际上由于死区时间的加入，使得在死区时间内两个管子都关断，电流只能通过二极管续流。电压型逆变器主电路如图１所示，文献［１－４］均对开关管的开关过程进行了详细分析，最后都得出了与死区时间相对应的偏差电压。图１ 逆变器主电路
PWM型逆变器死区问题的解决
电源技术 ＜ ２００８年５月 ２０ ■＜阿城继电器股份有限公司电源公司 李文全 引言 PWM 电压型逆变器广泛地应用于交流变速传动系统和不停电电源中。逆变器的输出电压波形的质量尤为重要。理想的电压波形通常为纯正的正弦波，但实际上在输出级存在着是输出波形畸变的固有源，因而输出波形存在较大的畸变。其中一个重要的畸变根源是同一桥臂上、下两个器件在开关过程中必有一个死区时间，以防止桥臂直接短路。另外一些根源如开关器件的导通压降、开关时间等。每个PWM 调制周期内引起的微小畸变经积累后，会引起输出电压波形较大的畸变，降低基波幅值，改变低次谐波含量，曾加电机的谐波损耗。因此必须对逆变器的死区问题进行补偿。 在死区期间，逆变器输出的电压不受逻辑信号控制，而是有输出电流的极性确定，通过反馈二极管嵌位在直流回路的正侧或负侧。因此电流极性的检测是死区补偿的关键技术。本文对死区时间引起的逆变器输出电压畸变进行了详细分析，给出了电流极性检测方法和死区效应的电压补偿方法。 1 PWM逆变器死区效应的分析 不失一般性，以逆变器其中的一个桥臂A 相为例（如图 1）。在死区期间，上、下两个功率器件均不导通，只有一个二极管导通续流。若电流流向负载，则下面的二极管导通；反之，上面的二极管导通。控制信号与电压波形如图2所示。 对于i>0(流向负载)而言，如图2（a ）、（b ）、(d)所示。当A -信号在T 1时刻关断，延时死区时间T d 后，A +变为高电平（图2d ）;在T 2时刻A +变为低电平，延时T d 后A -变为高电 平（图2b ）,此时电压U AN 时电压U AN 经过开关管的关断时间t off 后变为低电平（图2d ）。因而U AN 为高值的实际时间是T 2 –T 1 +T off –T on –T d ,标准时间应为T 2 –T 1，因而，死区时间和开关管共同引起的导通时间误差为 T err = T off –T on –T d (1)同理，当时 i<0时，由图2（a 、b 、c ）可得时间误差为 T err = -(T off –T on –T d ) (2)因此误差时间为T err = sign(i)(T off –T on –T d ) (3) 其中sign(i)= PWM型逆变器死区问题的解决 摘要：本文对ＰＷＭ电压型逆变器的死区问题提出了一种实时补偿方法，设计了电流瞬时值过零点的检测方法，该方法简单易行，可适用于变压变频调速系统中。 关键词： ＰＷＭ逆变器 电流检测 死区补偿 图１ 逆变器桥臂 图２ ＰＷＭ逆变器控制信号与输出电压波形
一种基于空间矢量PWM的死区效应补偿策略研究
一种基于空间矢量PWM的死区效应补偿策略研究 1 引言 目前，随着电力电子技术的发展，功率器件如igbt、mosfet等广泛应用于pwm变流电路中。对于任何固态的功率开关器件来讲，都具有一定的固有开通和关断时间，对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输入的信号是不可控的，称为开关死区时间，它引起开关死区效应，简称为死区效应[1,2]。在电压型pwm逆变电路中，为避免同一桥臂上的开关器件直通，必须插入死区时间，这势必导致输出电压的误差。该误差是谐波的重要来源，它不但增加了系统的损耗，甚至还可能造成系统失稳。对于电机驱动系统而言，死区效应会使得低速时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。 本文分析了死区时间的产生以及对输出电压的影响。在此基础上，引入电流预测补偿方法，对其理论进行分析并进行了仿真与实验。 2 死区效应分析[3,12] 以逆变器的其中一个桥臂为例，进行分析死区时间的影响。假设负载为感应电机，如图1所示。 图1 逆变器一相桥臂的死区效应分析 在功率器件开通关断时，逆变器输出电压由于死区的影响在电流极性不同时会表现出不同的形式。当开通功率开关管(igbt)vt2时，vt1必须关断，如果开通速度比关断速度快，将会在桥臂上产生直通电流而导致损坏器件，因此需要插入死区时间。由于是感性负载，输出电流i1通过续流二极管进行续流，二极管的导通取决于电流i1的方向。当i1>0时，有两种工作状态，正常工作状态时，桥臂的上管vt1开通，vt2关断，电流通过vt1流向电机；而在死区时间内，vt1、vt2都关断，此时电流通过下
管的续流二极管vd2完成续流，保持电流流向电机。当i1<0时，同样也有两种工作状态：正常工作状态时，下管vt2开通，上管vt1关断，电流通过vt2形成通路；在死区时间工作状态时，vt1、vt2都关断，此时电流通过上管的续流二极管vd1完成续流，保持电流形成通路。尽管逆变器死区时间很小，单个脉冲不足以影响整个系统的性能，但连续考虑一个周期的效应，死区的积累作用使得电动机的定子电压受到很大的影响。受死区的影响，输出电压产生的畸变分析如图2所示。 图2 死区对逆变器输出电压的影响 图2中：a) 理想的驱动波形；b、c) 带有死区的上下管驱动信号；d) 电流方向； e) 逆变器的实际输出电压；f ) 为误差电压波形。 3 电流预测补偿法[4,5] 电流预测补偿方法是将预测控制用于对电压型逆变器的控制，基本思路是在第k个采样时刻根据所检测到的负载电流及补偿器输出电流、电动机的数学模型以及下一个开关周期k+1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。在对三相异步电机进行分析和控制时，将其等效为一个带有反电动势的r-l负载电路，如图3a)所示。为便于分析，这里进行坐标变换，将对称三相静止坐标系变换到d-q坐标系，如图3b)所示。
死区补偿
1 引言 目前，小功率通用或专用变频器以及交流变频家电产品大多采用典型的交-直-交电压型逆变器(vsi)结构，逆变实现一般采用双极性pwm 调制技术，即在同一逆变桥臂上、下2个开关管施加互补的触发信号。由于开关管自身的特性:开通和关断都需要一定的时间，且关断时间比开通时间要长。因此，若按照理想的触发信号控制开关管的开通和关断，就可能导致同一桥臂的2个开关管直通而损坏开关器件。为了防止这种直通现象的发生，必须在它们开通和关断之间插入一定延时的时间，这个延时时间就称为死区。死区时间内2个开关管都处于关断状态，负载电流通过反并联二极管续流，负载电压不受开关管控制，由此造成负载电压波形发生畸变，逆变器的平均输出电压降低，并产生与死区时间以及调制比成正比的3，5，7，…次谐波分量，进而影响到电动机的输入电流和运行质量。当逆变器工作在低输出频率、开关频率较高和负载感性很弱时这种影响相当严重[1,2]。为此，需要对死区的影响进行补偿，以提高变频器的输出性能和改善电动机的运行工况。常用的补偿方法有电流反馈型和电压反馈型，也有单边补偿与双边补偿、纯硬件补偿与硬件软件结合补偿等具体手段，但其工作原理相似，都是产生一个与死区引起的误差波形反向的波形，以抵消死区的作用[3,10]。motorola公司推出的电动机专用控制芯片mr16内部集成了专门的死区补偿硬件电路，只需要简单的外围电流极性检测和简单的软件编程就可以实现可靠的死区补偿[11]。 2 死区补偿原理分析 2.1死区对输出电压的影响 在理想情况下，功率开关管开通和关断都是瞬时完成，不存在开通和关断时间，因而也就不存在死区时间。但实际情况是功率开关管并非理想开关，而且关断时间比开通时间要长。为了使功率开关管工作安全，在其开通之前插入死区td，即让该桥臂的2个开关管在td时间内都处于关断状态。由于死区时间td的存在，使得功率开关管的导通时间缩短，引起pwm脉冲宽度和电位的丢失，进而影响到逆变器输出的平均电压。 图1 死区对输出电压影响示意图 下面以三相逆变桥中的一相为例，分析死区对输出电压的影响。不妨设电流正方向如图1中箭头方向所示，假设当前死区发生时，电流方向为正，这时igbt1和igbt2都没有驱动信号，处于关断状态，驱动信号如图1中的(2)和(4)。由于当前电流方向为正，所以感性负载通过下桥臂的续流二极管d2续流，因此将输出电压箝制在-udc/2电位上，输出电压波形如图1中的(6)所示。也就是说在死区期间，输出电压多出一个td宽度的负电位。实际输出电压与理想输出电压相比，正电压的脉冲宽度减小，输出电压小于期望值，如图1中的(6) 和(5)所示。当电流为负方向时，感性负载通过上端的二极管d1进行续流，这时负电压脉宽减小，输出电压大于期望值，这里不给出示意图。这样，逆变器的实际输出电压的波形与理想波形比较就发生了畸变。图1中的(1)、(3)和(5)分别为理想情况下的上管驱动信号、下管驱动信号和输出电压，(2)、(4)和(6)分别为实际情况下的上管驱动信号、下管驱动信号和输出电压。
开关死区对SPWM逆变器输出电压波形的影响
开关死区对SPWM逆变器输出电压波形的影响 类别：电源技术阅读：1379 作者：北京航天工业总公司二院206所刘凤君（北京100854）来源：《电源技术应用》开关死区对SPWM逆变器 输出电压波形的影响摘要：分析开关死区对SPWM逆变器输出电压波形的影响，讨论考虑开关死区时的谐波分析方法，并导出谐波计算公式。用计算机辅助分析和实验方法对理想的和实际的SPWM逆变器进行对比研究，得出一些不同于现有理论的结果。关键词：逆变器脉宽调制谐波开关死区 1 引言对于SPWM三相半桥式逆变器，由于开关管固有开关时间ts的影响，开通时间ton往往小于关断时间toff，因此容易发生同臂两只开关管同时导通的短路故障。为了避免这种故障的发生，通常要设置开关死区△t，以保证同桥臂上的一只开关管可靠关断后，另一只开关管才能开通。死区的设置方式有两种：一种是提前△t/2关断、延滞△t/2开通的双边对称设置；另一种是按时关断、延滞△t开通的单边不对称设置。典型的电压型三相SPWM半桥式逆变器如图1（a）所示。其中图1（b）是死区对称设置时的波形图；图1（c）是死区不对称设置时的波形图。在这两种波形图中，uAO为相与直流电源中点“0”之间的理想电压波形（载波比N=(ωc/ωs)=9），uAO′为设置死区时的电压波形。 在感性负载时，当V1导通时A点为+(Ud/2)，当V4导通时A点为-(Ud/2)。在死区△t内V1和V4 都不导通时，感性负载使D1和D4续流以保持电流iA连续。当iA为正时D4续流，A点与直流电源负极接通，A点电位为-(Ud/2)；当iA为负时D1续流，A点与直流电源正极接通，A点电位为+(Ud/2)，这样就产生了误差电压uD1.4。uD1.4与uAO′叠加就产生出实际输出电压uAO″。比较uAO″与uAO可知，实际输出电压发生了畸变。在iA为正时所有正脉冲宽度都减小△t，所有负脉冲宽度都增加△t；在iA为负时所有负脉冲宽度都减小△t，所有正脉冲宽度都增加△t。这是由死区△t内的二极管续流造成的，畸变后的实际输出电压波形如图中uAO″所示。2 实际输出电压uAO″的谐波分析假定载波与调制波不同步，则在调制波各周期中所包含的脉冲模式就不相同，因此不能用调制波角频率ωs为基准，而应当用载波角频率ωc为基准。这样，研究它的基波与基波谐波、载波与载波谐波及其上下边频的分布情况时，就能很方便地用双重傅立叶级数来表示： 2．1 死区双边对称设置时uAO′的谐波分析 如图1(b)所示，uAO′相当于二极管不续流时输出电压的波形。载波三角波的方程式为： 正弦调制波的方程式为：us=Ussinωst 对于理想波uAO，二阶SPWM波正脉冲前沿（负脉冲后沿）采样点a为：Ussinωst=-(ωct-2π-π/2)2Uc/π-Uc 令x=ωct；y=ωst；M=Us/Uc，则可得 x=2πk+π/2-π/2(1+Msiny) 二阶SPWM波负脉冲前沿（正脉冲后沿）采样点b为： Ussinωst=(ωct-2πk-π/2)2Uc/π-Uc x=2πk+π/2+π/2(1+Msiny) 对于图1(b)中uAO′，在x=ωct的2πk－π/2到2π(k＋1)－π/2区间内，可以得到二阶SPWM波的时间函数为： y=（ωs/ωc)x,k=0,1,2,3…经分析可以得出： 2．2 对死区双边对称设置时uD1.4的谐波分析图（1）b中误差波uD1.4，其双重傅立叶级数中的Amn+jBmn=-(Ud/mπ)Jn((mMπ/2))[cos(m+n]π+1]sinm(△tωc) (3) 对于载波及载波m次谐波的上下边频：2．3 死区双边对称设置时uAO″的谐波分析由图1（b）可知，实际波uAO″等于有死区波uAO′与误差波uD1.4之和。由于死区是双边对称设置，所以uAO′与调制波uS相位相同，电流iA滞后于uAO′一个φ角，而误差波uD1.4又与iA相位相反，因此，uD1.4的相位超前于uAO′180°－φ,如图（2）所示。因此，当以uAO′的相位为基准时可得： uAO′与uD1.4的基波幅值uAO（1）′=MUd/2;
变频系统死区效应分析及补偿
第六章变频系统死区效应分析及补偿 6.1 死区效应原理 在理想情况下，每个桥臂的上下两个开关器件严格轮流导通和关断。但实际情况是，每个器件的通、断都需要一定的时间，尤其是关断时间比导通时间更长。在关断过程中，如果截止的器件立即导通，必然引起桥臂短路。为了防止这种情况发生，必须在驱动信号中引入一段死区时间T d。在此时间内，桥臂上下开关器件都没有触发信号，该桥臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。 死区时间的引入使得逆变器主电路不能精确再现由PWM发生器所产生的理想PWM波形，影响了PWM方案的应用效果，这些影响统称为死区效应。死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。 死区时间的设置方式有两种： （1）单边不对称设置 欲关断的功率管与理想波形同时关断，欲开通的功率管延迟T d后开通。 （2）双边对称设置 欲关断的功率管比理想波形提前T d/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟T d/2开通。 利用逆变器中一个桥臂来说明死区效应的产生，规定电流从逆变器流向电机为参考方向的正方向，电流从电机流向逆变器时电流为负。当电机电流为正时，在死区时间内，上下桥臂两个功率管均不导通，由于电机为一感性负载，因此电流不会突变，那么电机电流就通过和下桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，则输出电压被钳位在-U d/2（U d位直流电源电压）；反之，当电机电流为负时，电机电流则通过和上桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，输出电压被钳位在+ U d/2。这样，实际输出电压U与理想输出电压U*之间就存在着误差电压△U=U-U*。这个误差电压脉冲的极性与输出电流的极性相反，当电流大于零时△U= -U d，当电流小于零时△U= U d，其宽
逆变器死区特性的仿真研究毕业设计档案材料
湖南人文科技学院本科生毕业论文档案材料 题目：逆变器死区特性的仿真研究学生姓名：学号 系部：通信与控制工程 专业年级： 指导教师：李新君 湖南人文科技学院教务处制
一、毕业设计任务下达书 毕业设计题目逆变器死区特性的仿真研究 题目类型理论研究题目来源教师科研课题毕业设计时间2010年11月至2011年6月 一、选题的目的及意义 逆变技术随着自动控制理论、电力电子技术、电子计算机、微电子学等的发展已经进入一个新的时代。PWM逆变器虽然以输出波形接近正弦波为目的，但实际输出波形中仍然存在着谐波分量，其中最主要的原因是电力电子开关器件都不是理想的开关，它们都存在导通时延与关断时延。因此，为了保证逆变电路的安全工作，必须在同一桥臂上、下两个开关器件的通断信号间设置一段死区时间(或称滞时)。 在异步电动机调速系统中，异步电动机采用调压调频(VVVF)V/f=C控制时，系统虽然结构简单，但PWM型电压源逆变器在低速运行时易出现低频振荡现象，即当驱动系统在低频时驱动低转动惯量异步电动机的过程中，可能会出现转速有较大的波动，相电流波形出现模糊阴影，逆变器输入电流出现不规则变化。采用电流反馈型补偿电路能够很好消除逆变器输出电压谐波，减小异步电动机转矩脉动情况。本文的研究对于提高和改善变频调速系统的性能以及对死区问题的研究有很好的借鉴意义。 二、毕业设计的主要内容 （1）介绍逆变技术和SPWM控制技术； （2）分析死区效应机理，并分析死区效应对控制系统带来的影响； （3）分析在PWM逆变器中加入死区时间的必要性； （4）PWM电压型逆变器死区补偿方法设计； （5）MATLAB建模仿真以及结果分析。 三、毕业设计的要求（包括技术要求、工作要求） （1）分析正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术的原理； （2）设计电压源型逆变器死区补偿电路； （3）运用MATLAB仿真软件搭建死区补偿仿真模型； （4）减小逆变器死区输出电压的谐波和异步电机转矩脉动； （5）分析系统仿真结果和误差原因。 题目类型：理论研究、工程设计、实验研究、软件开发、艺术设计等 题目来源：教师科研课题、生产实际题、社会现实题、假想题等
PWM逆变器死区影响的几种补偿方法
PWM 逆变器死区影响的几种补偿方法 摘要：分析逆变器死区对输出电压的影响以及几种常用的补偿方法。 关键词：死区 补偿 逆变器 脉宽调制 1 1 引言引言 引言 死区可以避免因桥臂开关管同时导通的故障，但死区同时也引起反馈二极管的续流，使输出电压基波幅值减小，并产生出与死区时间△t 及载波比N 成比例的3、5、7…次谐波，这是设置死区带来的缺点。这个缺点对变频调速系统的影响最为显著。特别是在电机低速运行时，调制波角频率ωs 减小，使载波比N 相对增大，因此，死区△t 中二极管续流引起的基波幅值减小，和3、5、7…次谐波的增大更加严重。在这种情况下，为了保证系统的正常运行，就必须对死区中二极管续流的这种不良影响进行补偿。 常用的最基本补偿方法有两种：一种是电流反馈型补偿，另一种是电压反馈型补偿。它们的共同补偿原理就是设法产生一个与二极管续流引起的误差电压波形相似、相位相差180°的补偿电压ucom，来抵消或减弱误差波的影响。所谓误差波，就是由反馈二极管续流而引起的误差电压。三相半桥式SPWM 逆变器电路图见图1。 2 2 电流反馈型补偿电流反馈型补偿 电流反馈型补偿 死区设置方式有两种，即双边对称设置和单边不对称设置。现以双边对称设置方式为例来进行说明，其结果对单边不对称设置方式也同样适用。 带死区的SPWM 逆变器在感性负载时，基波幅值的减小与3、5、7…次谐波幅值的增大都与Δtωc=ΔtNωs 成正比（ωc 为SPWM 中三角波电压的角频率），随着死区时间△t 及载波比N 的增加，输出电压基波幅值将减小，3、5、7…次谐波幅值将比例增大。当ωs 减小N 相对增大时，这种影响进一步加剧。为了保证逆变器的正常运行，就必须消除这种不良影响。加入补偿电路就能很好地达到这个目的。采用电流反馈型的补偿电路如图2所示。通过检测逆变器的三相输出电流，并把它变成三相方波电压分别加到各自的调制波us 上，例如将检测到的A 相电流iA，变成方波电压ui 加到A 相调制波us 上，方波电压ui 使逆变器产生一个与电流iA 相位相同，与误差波uD1.4波形相似，但与uD1.4相位相反的补偿电压ucom,如图3所示。 补偿电压ucom 的相位与电流iA 的相位相同，与误差波电压uD1.4的相位相反。由于载波三角波的每个边都是线性的，所以us＋ui 调制的波形等于us 和ui 调制波形的和。us 产生的有死区调制波为uAO′，反馈二极管产生的误差波为uD1.4，ui 产生的调制波为ucom，所以逆变器的输出电压方程式为：
粲夸克辐射的死区效应
第31卷第1期2007年1月 高能物理与核物理 HIGH ENERGY PHYSICS AND NUCLEAR PHYSICS Vol.31,No.1 Jan.,2007粲夸克辐射的死区效应* 张晓明1)朱燕何云存周代翠2) (华中师范大学粒子物理研究所武汉430079) 摘要基于轻夸克辐射能量谱,考虑夸克质量对部分子辐射能量损失的影响,利用死区因子把轻部分子辐射能量损失谱推广到重部分子辐射能量损失的情形.研究结果表明,利用与夸克质量相关的死区因子推广轻夸克辐射能量损失谱得到的重夸克辐射能量损失谱,与直接利用微扰QCD计算所得到的Djordjevic-Gyulassy(D-G)谱的结果一致,且极大简化了重夸克辐射能量损失的计算. 关键词高能重离子碰撞粲夸克辐射能量损失死区效应 1引言 量子色动力学(QCD)预言,在极端高温高密环境,普通强子物质会发生退禁闭相变,即通常被束缚于强子体系内部的夸克和胶子退禁闭成自由的夸克胶子等离子体(QGP)相.人们认为,这种相变的发生是由于被加速的高能重离子相互发生猛烈碰撞,将两原子核携带的巨大动能释放在核–核(AA)碰撞的中心区并转化为热能,形成极端高温高密环境,从而迫使强子体系解除色禁闭,形成QGP新物质形态.所形成的QGP物质经演化并强子化为末态观测粒子.有关QGP的形成及其性质是当前的热点问题.人们期待QCD预言能在美国相对论重离子对撞机BNL/RHIC 和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机CERN/LHC 上获得根本性的检验. 初始碰撞产生的部分子在穿越热密QCD介质体系时,与密度介质中的部分子的弹性散射以及介质诱导的胶子韧致辐射会导致穿越部分子能量损失[1—3],这种现象称为喷注淬火.在高能重离子碰撞中,这种能量损失效应引起高横动量末态观测粒子产额压低现象,它成为诊断QGP信号和研究QGP性质的一种强有力的探针[4—11].RHIC实验观测到Au-Au碰撞中源于轻部分子碎裂的末态高横动量强子产额相对于强子–强子(pp)碰撞有4—5倍的压低,并观测到显著的部分子单喷注(monojet)现象.这些实验现象告知,密度物质导致了轻夸克和胶子在穿越过程的辐射能量损失.对重夸克能量损失的证据尚待实验统计量的进一步增加.然而理论研究指出[12],重夸克的强子喷注不同于轻夸克的强子喷注,其差异源于重夸克(例如粲和底夸克)质量效应不可忽略,导致胶子轫致辐射在角度θ 全数字伺服系统中死区效应的补偿方法 浙江大学 电力电子国家专业实验室 胡庆波 吕征宇 关键词： 伺服系统、电压型逆变器、死区效应、谐波电流、DSP 目前，在伺服控制系统中，通常采用三相电压型逆变器来驱动伺服电机。桥式电路中为避免同一桥臂开关器件的直通现象, 必须插入死区时间。死区时间和开关器件的非理想特性往往会造成输出电压、电流的畸变，从而造成电机转矩的脉动，影响系统工作性能。因此，必须对电压型逆变器中的死区效应进行补偿。 文献[1-4]对三相逆变器的死区效应进行了补偿。其中文献[1] 采用平均值理论，计算出一个工作周期中的误差电压并直接补偿在参考电压上，文中忽略了开关器件的非理想特性，仅仅对死区时间造成的误差电压进行了补偿，该方法简单易行，但补偿精度较低;文献[2] 在对死区时间和开关器件的非理想特性造成的死区效应进行补偿的同时，提出了一种补偿时间的离线测量方法。该方法把开关器件的电气特性与其工作电流看成线性的关系，并且要求系统对电流有很好的控制特性;文献[3]针对空间矢量调制提出了只对其中一相电压进行补偿的方法，但没有考虑开关器件的导通压降，并且在整个逆变输出周期中，其补偿时间为一常数。文献[4]提出了死区时间的一种离线测量方法，根据工作电流的范围预先测出补偿时间，然后分段进行补偿，该方法与前文几种补偿方法相比，可以通过电流的大小来调节补偿时间，但在一定的电流范围内补偿时间仍然是一常数。 对于逆变器的死区补偿，主要取决于两个方面，一是补偿时间的确定;二是负载电流方向的检测。本文将对两者加以介绍。综合上文提到的文献，其补偿时间在整个逆变输出周期皆为定值，但是在实际电路中，补偿时间往往会根据电路工作点的不同而变化。另外，在直流侧电压较高的前提下，由开关器件的导通压降造成的畸变可以近似忽略，但在蓄电池作为直流侧输入时，其工作电压较低，此时由开关管导通压降带来的输出电压畸变较大，应加以考虑。综合以上几点，本文提出一种死区时间的实时计算方法，即在一个逆变输出周期中，通过占空比的变化相应的调整补偿时间。并且，本文借鉴了文献[3]的补偿方法，即通过判断三相电流的方向，只对其中一相输出电压占空比进行补偿。实验结果表明，该方法对死区时间和开关器件非理想特性造成的死区效应有很好的补偿效果。 死区效应的分析 误差时间分析 图1 a 相桥臂电路 下面分析逆变器a 相桥臂的死区效应。图1是通用型桥臂的电路图，这里定义电流流向负载为正方向。 图2是当a 相电流流向负载时a 相的电压脉冲波形。图2中G*是上管T1的参考驱动脉冲，G 为实际获得的驱动脉冲，图2中实线表示实际获得的电压波形，虚线表示理想的电压波形。td 是死区时间，Ts 是开关周期，D 是占空比，Vdc 是直流侧电压，t`off 和t`on 分别为开关器件的等效关断和开通延迟时间，Vs 和Vd 分别是开关器件和并联二极管的导通压降。先考虑当电流流向负载时(id ＞0)的情况。在一个开关 周期中考虑相电压的伏秒面积，理想情况下其面积为: 图2 a 相脉冲电压波形 V t ＝DT s V dc (1) 实际获得的伏秒面积为: V t ＝(DT s －M)(V dc －V s )－(T s －DT s ＋M) V d (2) 根据参考电压和补偿后电压伏秒面积相同的原则，其误差电压的伏秒面积为:全数字伺服系统中死区效应的补偿方法