矿用电机车PMSM驱动系统死区补偿的研究

李 强，祝龙记,胡鸿飞

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)由于系统效率高、启动特性硬、调速范围广、可靠性高、维修量小、故障率低等优点，被广泛应用[1-5]。永磁同步电机在采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制中，为了防止上下桥臂直通现象需要加入一个死区时间[6-7]，同时，开关器件本身固有的开通和关断时间的存在，会导致逆变器输出电流波形产生畸变和电机电磁转矩脉动增加。因此，PMSM驱动系统的运行性能受到了严重的影响[8-10]。

本文在PMSM采用SVPWM的矢量控制(field-oriented control，FOC)中，把死区效应作为给定电压矢量的一个扰动矢量d，根据扰动矢量的变化规律，将扇区重新划分，给出扰动矢量的大小和空间分布，利用基于扩张状态观测器(extended state observer， ESO)控制策略对死区进行补偿。

1 死区效应的分析

图1为矿用电机车PMSM驱动系统的拓扑结构，以逆变器A相桥臂为例，来分析死区时间(Td)、开通时间(Ton)和关断时间(Toff)对逆变器输出电流的影响[11-13]。

由于电机绕组为感性， 流过其电流不能发生突变现象，所以在死区时间内，输出电压方向与当前电流的方向一致。如图2(a)～(c)所示，没有死区时间时触发信号与输出电压(Ua1)波形；图2(b)为有死区时间时的触发信号。当ia>0时，下桥臂S2的开关管反并联二极管实际输出电压(Ua2)波形如图2(d)所示；当ia<0时， 上桥臂S1的反并联二极管的实际输出电压(Ua3)波形如图2(e)所示[14-15]。

图1 PMSM驱动系统的拓扑结构

图2 A相桥臂触发信号与输出电压

由图2可以看出，当ia>0时，误差时间为

ΔT=Td+Ton-Toff

当ia<0时，ΔT=-(Td+Ton-Toff)

下面分析死区时间对电压矢量的影响。当给定电压矢量Uc在第一扇区时，并且ia>0、ib<0、ic<0时理想给定电压输出波形与实际电压输出波形的比较便能分析出，理想给定电压矢量Uc与实标电压矢量Us相差2ΔT·U4。

随着电流极性的变化和给定电压矢量所在扇区的变化，导致了死区效应对电压矢量的变化，本文把实际电压矢量偏离给定电压矢量的差值来作为扰动矢量d，在平面矢量α-β坐标系下如图3所示。