永磁同步電機(jī)逆變器驅(qū)動(dòng)中死區(qū)實(shí)現(xiàn)新方法
韓鋒，馬瑞卿，孫銀川，王穆移
（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）
摘要：針對(duì)永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)中逆變器同一橋臂上下功率管存在的直通問(wèn)題，就傳統(tǒng)“死區(qū)”硬件設(shè)置電路中死區(qū)時(shí)間難于調(diào)整的缺點(diǎn)，在分析死區(qū)工作機(jī)理及其解決方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD)來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間在線調(diào)節(jié)的新方法，仿真和試驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單有效，死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，無(wú)溫漂。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；伺服控制；逆變器；死區(qū)；CPLD
中圖分類號(hào)：TM351；TM341；TP73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848(2010)0?-0095-03
1 PMSM驅(qū)動(dòng)三相逆變橋直通的原因
圖l為三相PMSM的電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中Vl~ V6為六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，A、B、C為永磁同步電機(jī)三相星形繞組，通過(guò)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率管的控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)PMSM的運(yùn)行。功率管常用ICBT，但I(xiàn)GBT的耐過(guò)壓能力和耐過(guò)流自己力較差，一旦出現(xiàn)直通短路就會(huì)造成****性損壞，因此，其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就成為逆變器能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。一般IGBT有嚴(yán)格的安全工作區(qū)(SOA)，其承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾個(gè)微秒，耐過(guò)流的余量很小，因此必須考慮直通短路問(wèn)題。
一般逆變器產(chǎn)生過(guò)流或短路的原因有ICBT損壞、內(nèi)置快速恢復(fù)二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障、干擾等引起的誤動(dòng)作，以及輸出線接錯(cuò)、輸出對(duì)地短路、電機(jī)絕緣擊穿、逆變器橋臂直通等形成的短路。其中逆變器同一橋臂直通短路故障最應(yīng)關(guān)注，同一橋臂上下功率管在任一時(shí)刻都不能存在同時(shí)導(dǎo)通的可能性，始終要處于開(kāi)關(guān)互逆狀態(tài)否則就會(huì)發(fā)生橋臂直通現(xiàn)象，導(dǎo)致功率器件的損壞。
圖2為逆變器同一橋臂上下功率管Ql、Q2的理想控制波形。由于實(shí)際應(yīng)用中IGBT功率管的關(guān)斷和開(kāi)啟都存在一定的時(shí)間延遲，即開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間其中，開(kāi)通時(shí)間為開(kāi)通延遲時(shí)間和電流上升時(shí)間之和，關(guān)斷時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間和電流下降時(shí)間之和。
考慮到功率管開(kāi)通和關(guān)斷延遲時(shí)間，則橋臂上下功率管中的電流波形如圖2中I1、I2所示，比較I1和I2可知，在Tl時(shí)間段，同一橋臂上下兩個(gè)功率管，一個(gè)未完全關(guān)閉時(shí)另一個(gè)就已經(jīng)開(kāi)啟，則橋臂上下功率管在Tl時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生直通短路，雖然在一個(gè)PWM周期內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間Tl非常短，但在功率管中會(huì)產(chǎn)生很大的電流，如果電流超出功率管的SOA，就會(huì)導(dǎo)致功率管燒毀；如果逆變器負(fù)載小，電流未超出SOA，又會(huì)使功率管發(fā)熱產(chǎn)生熱損壞。所以在大功率系統(tǒng)中需要對(duì)IGBT功率管進(jìn)行過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，但最主要的就是橋臂上下管設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間以避免這種情況發(fā)生。
2死區(qū)的原理及其實(shí)現(xiàn)方法
一般在電壓型PWM逆變器中，為了避免同一橋臂上下功率的直通，可以采用兩種方法：即調(diào)整開(kāi)關(guān)管或者調(diào)整SPWM控制信號(hào)。
第一種方法主要是調(diào)整開(kāi)關(guān)管的閉合時(shí)間，使得開(kāi)關(guān)管的斷開(kāi)比閉合快。
第二種方法是在上下兩路互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)中增加“死區(qū)”，使直流母線正側(cè)功率管閉合與負(fù)側(cè)功率管斷開(kāi)之間有一定的延時(shí)，這樣就可以避免同時(shí)導(dǎo)通，實(shí)踐證明第二種方法簡(jiǎn)單方便。
圖3是加入死區(qū)后的控制信號(hào)和電流波形，控制信號(hào)QDI與Qm,在上升沿與下降沿之間都注入了一定的“死區(qū)”時(shí)間TO，這樣同一橋臂的上下功率管是在一個(gè)完全關(guān)閉以后另一個(gè)才會(huì)導(dǎo)通，同一橋臂的上下功率管電流沒(méi)有相交的地方，從而不會(huì)出現(xiàn)壹通現(xiàn)象，可見(jiàn)死區(qū)控翩為避免功率逆變器的直通提供了有效的控制方式。
“死區(qū)”可以采用硬件RC延遲電路來(lái)產(chǎn)生，如圖4所示。輸入的方波信號(hào)IN通過(guò)兩個(gè)反相器與RC延遲電路以后，輸出的方波信號(hào)OUT的上升沿和下降沿相對(duì)信號(hào)IN都會(huì)有一定的延遲，延遲時(shí)間可由電阻和電容的值來(lái)決定(T= RC)，一般固定電容改變電阻比較容易調(diào)試。但是，該方法延遲時(shí)間不易修改，而且很難得到準(zhǔn)確的延時(shí)，因此，該方法在實(shí)際應(yīng)用中有諸多不便。
針對(duì)傳統(tǒng)RC延遲電路的缺點(diǎn)，本文涉及出即保留了硬件電路的快速性和可靠性，又克服了其參數(shù)不容易發(fā)生缺點(diǎn)的延時(shí)方法，即利用可編程器件（CPLD），通過(guò)軟件編程產(chǎn)生“死區(qū)”。CPLD是陳列型高密度PLD器件，其內(nèi)部其內(nèi)部程序易于修改，“死區(qū)”設(shè)置準(zhǔn)確.
3基于CPLD死區(qū)的實(shí)現(xiàn)方法
圖5為基于CPLD的“死區(qū)”實(shí)現(xiàn)原理框圖，將PWM信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的一定占空比的PWM波()送人CPLD，經(jīng)過(guò)處理生成擁有死區(qū)時(shí)間的兩路信號(hào)QD1、QD2，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制上、下橋臂功率管、他的通斷，由于控制信號(hào)、都注入了死區(qū)時(shí)間，從而避免了同一橋臂上下功率管的直通，實(shí)現(xiàn)了死區(qū)保護(hù)。
CPLD內(nèi)部死區(qū)的實(shí)現(xiàn)原理圖如圖6所示。PWM波通過(guò)邏輯處理生成一路與PWM波信號(hào)(Q)嚴(yán)格互補(bǔ)的信號(hào)QD，由于CPLD外部采用高精度有源晶振（30MHz)，通過(guò)分頻作為死區(qū)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，再根據(jù)上位機(jī)計(jì)算機(jī)(或DSP)或者CPLD內(nèi)部設(shè)定的死區(qū)時(shí)間控制字(CNT)，在CPLD內(nèi)部分別對(duì)Q和QD注入死區(qū)時(shí)間，變成兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)QD1和QD2，這樣只要改變死區(qū)時(shí)間控制字即可控制死區(qū)大小。
死區(qū)時(shí)間的注入是按照?qǐng)D7所示的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Q、QD是經(jīng)過(guò)邏輯處理后嚴(yán)格互補(bǔ)的PWM波，根據(jù)上位機(jī)（或DSP）傳輸?shù)乃绤^(qū)時(shí)間控制字CNT，對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行上升沿處理，使得其上升沿分別延時(shí)Tl、T2后再輸出，下降沿不做任何處理，延時(shí)時(shí)間Tl、T2可以由控制字CNT決定或者內(nèi)部設(shè)定固定延時(shí)，這樣同一橋臂上下功率管的控制信號(hào)上升沿和下降沿分別就有Tl、r2的死區(qū)時(shí)間，由于開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff不同，一般情況下死區(qū)時(shí)間取較大的值，且取r1 =r2=r。通過(guò)注入死區(qū)后，QD1的脈寬等于9的脈寬減去死區(qū)時(shí)間，即bl -7；QD2的脈寬等于QD的脈寬減去死區(qū)時(shí)間。工程應(yīng)用中，死區(qū)一般留有0 5倍的裕量。
4 Quartusll仿真和試驗(yàn)
由于本系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，采用全方位硬件描述語(yǔ)言( VHDL)在Quatrusll軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真，該語(yǔ)言采用類似****語(yǔ)言的語(yǔ)句格式，完成對(duì)硬件行為的描述，具備更強(qiáng)的模塊化能力，擁有更好的可讀性和移植性，非常有利于工程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。圖8為基于上述原理的Quatrusll仿真波形：
在圖8中，clk為外部高精度有源晶振的時(shí)鐘信號(hào)，rst為復(fù)位信號(hào)（低有效），PPWMK為PWM波，ZGA、ZGB為注入死區(qū)后的PWM波，死區(qū)時(shí)間為9ns，仿真波形和理淪分析吻合，驗(yàn)證了該方法的可行性。圖9和圖10分別為3.2和1.3死區(qū)時(shí)間試驗(yàn)波形。
5結(jié)論
本文在分析PMSM的伺服控制系統(tǒng)逆變器直通產(chǎn)生的原因及其硬件解決方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CPLD的“死區(qū)”產(chǎn)生耘方法，“死區(qū)”大小可通過(guò)上位計(jì)算機(jī)（或DSP）在線調(diào)節(jié)，仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效，死區(qū)時(shí)間可控，準(zhǔn)確、無(wú)溫漂，具有工程實(shí)際意義。
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