PWM死區對永磁同步電動機低速運行性能的影響

    史敬灼，石靜

(河南科技大學，河南洛陽471003)

    摘要：電動機驅動控制中，PWM死區引起繞組電流波形畸變，增大電動機輸出轉矩和轉速脈動。電動機轉速越低，PWM調制深度越小，死區影響越顯著。從輸出電壓波形、輸出合成電壓矢量兩個方面，對電動機低速運行情況下PWM死區的影響進行了細致分析，指出死區導致逆變器輸出電壓矢量波動，直接影響電動機低速運行性能。

    關鍵詞：承磁同步電動機；驅動；PWM；死區

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)05—0005—05

0引言

    在基于PWM技術的電動機驅動裝置中，PWM死區、功率開關器件的開通關斷時間等非理想因素會引起繞組電流波形的畸變，增大電動機輸出轉矩和轉速的脈動。其中死區的影響最顯著，死區對逆變器輸出電壓的影響是多方面的。死區形成的偏差電壓使實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，死區對輸出電壓的諧波成分也有影響。死區帶來了一系列的低次諧波，增大了電動機輸出轉矩脈動^[1,2]。同時，PWM調制深度越小，輸出電壓基波有效值越小，死區影響越顯著^[1]。而小調制深度對應于電動機的低速輕載運行情況，死區也就直接影響到電動機控制系統調速范圍的擴展和定位精度的提高。

    關于PWM死區對逆變器輸出電壓的影響，已經有許多學者進行了研究^[1-4]。但是，對于電動機低速輕載運行情況下PWM死區的影響還沒有細致的分析。這種情況的特點是，PWM調制深度非常。小，以至于PWM控制脈沖寬度的調節范圍與死區的寬度(時間)相當，甚至小于死區的寬度。對電動機低速輕載運行情況下PWM死區的影響進行細致分析，有助于了解電動機低速運行轉速脈動的非線性本質，有利于控制器的合理設計。

    本文以基于DSP的三相永磁同步電動機驅動系統為例，在理論分析的基礎上，結合仿真與實驗研究，討論了電動機低速輕載運行情況PWM死區的影響。

1 DSP生成的PWM控制脈沖的基本特征

    本文所述電動機控制系統中使用的DSP芯片為TMS320LF2407A。該DSP專用于電動機控制，內含PWM生成單元，只需設置相應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。在上述DsP芯片中，同樣只需設置相應的控制寄存器就可以加入合適寬度的死區。

    實驗用電動機為92BL(3)B75—30三相永磁同步電動機，額定功率750 w，轉子四對極，定子為三相繞組星形接法。

    下文分析中，脈寬調制方法為單極性sPwM，DSP工作頻率設定為40 MHz，PwM載波頻率取為1O kHz，對應的DsP內部PwM周期計數器取值為2000，PwM比較寄存器可能的取值范圍為O～2000，對應于脈沖寬度變化范圍(0～4 000)·(DsP工作周期25 ns)。當PwM比較寄存器取值為1 000時，輸出PwM脈沖占空比為百分之50，對應于sPwM調制波的過零點。電動機低速輕載運行情況下，要求的逆變器輸出電壓幅值低，對應的PwM比較寄存器實際調節范圍也就小得多。例如對于實驗用電動機，開環驅動空載轉速為3.7 r／m·n時，PwM比較寄存器調節范圍為910～1 090，對應的PwM調制深度為0.09；下文就以此運行狀態為例進行分析。

    根據所用功率開關器件IGBT的特性參數，PwM死區時間取為3μs，對應的DsP中死區計數器取值為120^。PwM死區對逆變器輸出電壓的影響是與電動機繞組電流方向相關的。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論的規律。

2 PWM死區對輸出電壓波形的影響

    給定PwM調制深度，或者PwM脈沖寬度調節范圍，可以通過仿真計算出輸出相電壓波形。仿真計算步驟如下：

    (1)設定調制波(正弦波)初始角度，U相為0^。，V相為120^。，W相為240^。；

    (2)查正弦函數表，得到U、V、W三相當前角度對應的正弦函數值；