基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，在交流伺服系统中，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出时，死区补偿方法较复杂的问题，提供一种可有效避免输出电压畸变，并且算法简单、通用性强的基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法。

本发明基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的电压补偿方法，在进行补偿之前，首先需要确定的是永磁同步电机三相电流的方向，这是进行补偿的基础，在三相电流方向未知的情况下，是无法进行补偿操作的。

常规方法是利用电流传感器直接检测三相电流值，进而判断电流方向，但由于相电流存在振荡、PWM的开关噪声和零电流钳位现象，直接检测电流值来判断三相电流方向的效果是很差的，本发明中将采用间接方法进行检测。

参见图1，根据三相静止坐标系到两相同步旋转dq坐标系的变换规则，两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量Is的角度与永磁同步三相电流是存在对应关系的，合成电流矢量Is的角度是滞后三相中某相电流角度π/2的，当然通常是以滞后a相电流角度π/2进行定义的。如图1中所示，合成电流矢量Is的角度滞后a相电流Iu0为π/2，而永磁同步电机三相电流相互差π2/3，因此得知三相中任意一相的电流角度就可以得到其他两相的电流角度，得到三相电流角度后，即可方便的判断三相电流的方向。如下表所示：

表中Iu、Iv、Iw分别表示u、v、w三相电流，θ_c表示u相电流的角度(v、w相根据u相即可知)，电流大于0表示电流流向电机，电流小于0表示电流流出电机。

因此，如何得知合成电流矢量Is的角度，进而得到电机三相电流角度是解决问题的关键。在电机控制中，转子的电角度θ_e是一个需要实时采集的量，通过转子的电角度θ_e对其他量进行采集和处理，将无需增加其他硬件设施，会带来极大的便利，但由于转子的电角度θ_e是空间角度，需要进行转换才能进行利用。

参见图1、图2，将dq坐标系下d轴线电流Id＝0时，转子的电角度θ_e的角度定义为滞后合成电流矢量Is为π/2，当Id＞0时，转子的电角度θ_e滞后合成电流矢量Is将小于π/2，当Id＜0时，转子的电角度θ_e滞后合成电流矢量Is将大于π/2(小于π，图2中仅示意了Id＞0的情形，Id＜0的情形可以类似获得)，Id不等于0时的需要修正的角度θ差恰好为合成电流矢量Is与q轴的夹角。

那么，用转子的电角度θ_e对合成电流矢量Is进行表示，合成电流矢量Is的角度再根据前述合成电流矢量Is的角度滞后u相电流角度π/2，电机u的电流角度根据转子的电角度θ_e即可方便地获取永磁同步电机三相电流地角度，进而获取三相电流地方向。

由于空间矢量脉宽是分成六个扇区进行的，当调制矢量处于不同的扇区时，三相电流方向相同的情况下，死区等效为该扇区基本空间矢量作用时是有一定差别的，但基本原理是相同的。以下将以调制矢量处于扇区一时，不同三相电流方向情况下，死区应当如何等效补偿进行说明：

参见图3，当调制矢量处于扇区一时，通过开关器件的状态我们可以知道，图中开关器件状态2、4、6、8、10、12为死区，本发明要解决的问题是如何将死区等效为该扇区(此处即扇区一)的基本空间矢量的作用效果，并考虑等效后该死区产生的作用效果对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的产生什么样的影响，根据补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异进行补偿，以及较优的补偿方式。

根据空间矢量脉宽调制的基本原理，无论三相电流方向如何，开关器件状态1和状态13为基本空间矢量V0作用时间，状态3和状态11时为基本空间矢量V1作用时间，状态5和状态9时为基本空间矢量V2作用时间，状态7时为基本空间矢量V7作用时间。在三相电流方向确定的情况下，非死区不同基本空间矢量作用时，或者说不同的开关器件状态时(空间矢量脉宽调制，开关器件的状态与基本空间矢量作用是一一对应的关系，二者是完全等效的)，逆变器每个桥臂开关器件的电流流向是不相同的，由于逆变器每个桥臂开关器件的电流流向实际是由开关器件状态决定的，所以逆变器每个桥臂开关器件的电流流向与基本空间矢量作用也是存在一一对应关系的。

因此，从分析逆变器每个桥臂开关器件的电流流向的角度出发，实际上无论什么状态下，当逆变器每个桥臂开关器件的电流流向与某一基本空间矢量作用时，开关器件的电流流向相同，该状态持续时间内的作用效果就可以等效为该基本空间矢量的作用效果。本发明将对死区时，逆变器每个桥臂开关器件的电流流向进行判断，与非死区基本空间矢量的作用时逆变器每个桥臂开关器件的电流流向进行比较，得到不同的死区应当等效为哪一基本空间矢量的作用效果，再考虑如何对实际输出的调制矢量进行补偿。

但由于调制矢量处于扇区一时，三相电流的方向具有6种不同的情况，非死区相同的基本空间矢量作用时，逆变器每个桥臂开关器件中的电流流向是不相同的，因此必须针对不同的三相电流情况进行处理。

参见图4-1至4-13，当三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＜0时，开关器件状态2的死区，u相上、下桥臂功率管均关断，v相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，w相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，那么，u相电流流经u相下桥臂续流二极管后流入电机，v相电流流出电机后流经v相下桥臂功率管，w相电流流出电机后流经w相下桥臂功率管。通过分析可知，上述死区时间开关器件的电流流向与开关器件状态1时，即基本空间矢量V0作用时开关器件的电流流向相同，那么该死区将等效为基本空间矢量V0的作用效果。由于基本空间矢量V0是零矢量，因此该死区不会对实际输出的调制矢量产生影响，无需对该死区等效的作用效果进行补偿，或者说对该死区作用效果进行零补偿。

开关器件状态4的死区，u相上桥臂功率管导通，下桥臂功率管关断，v相上、下桥臂功率管均关断，w相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，那么，u相电流流经u相上桥臂功率管后流入电机，v相电流流出电机后流经v相上桥臂续流二极管，w相电流流出电机后流经w相下桥臂功率管。通过分析可知，上述死区时间开关器件的电流流向与开关器件状态5时，即基本空间矢量V2作用时开关器件的电流流向相同，那么该死区将等效为基本空间矢量V2的作用效果。那么该死区会使得基本空间矢量V2的作用时间延长一个死区时长，仅针对该死区的作用效果进行补偿，应当让基本空间矢量V2的作用时间减少一个死区时长。

对单个死区的作用效果进行等效即考虑补偿将使得补偿过程变得比较繁琐，较好的方式是对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，分析一个PWM周期内多个死区产生的整体作用效果对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异，再考虑进行补偿。

当然，首先需要处理的是判断每个死区应当等效为哪一基本空间矢量的作用效果，前文已经对开关器件状态2和状态4的死区的如何进行等效进行了详细的分析，本领域的技术人员根据前述的分析，结合本领域的基本常识，在不花费创造性劳动的情况下，完全可以对不同三相电流方向情况下的各种死区进行分析，并对死区的作用效果如何等效进行判断，后文将不再进行累述，分析过程中将直接得出死区等效结果。

那么，开关器件状态6和状态8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果，开关器件状态10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果，开关器件状态12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果。

这样，一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长(基本空间矢量V0和V7为零矢量，无需考虑)。

根据死区效应的定义，在不进行死区补偿时，也不考虑死区本身等效的作用效果，由于死区的存在，一个PWM周期中，对于未补偿实际输出的调制矢量，基本空间矢量V1的实际作用时间为(T1-2*td)，基本空间矢量V2的实际作用时间为(T2-2*td)，其中T1、T2为基本空间矢量V1和V2理想的作用时间，td为死区时间。

由于死区本身的等效作用效果相当于将基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间，已经自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需对基本空间矢量V1的作用时间进行补偿，在三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＜0的情况下，只需将基本空间矢量V1的作用时间增加2倍死区时长即可。

参见图5-1至5-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＞0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果，开关器件状态4和10的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了2倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需将基本空间矢量V2的作用时间增加2倍死区时长即可。

参见图6-1至6-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果，开关器件状态4、6、8和10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V2的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，那么在考虑死区补偿时，需要将基本空间矢量V1的作用时间增加2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间减少2倍死区时长。

参见图7-1至7-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＞0时，开关器件状态2、4、10和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了4倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需将基本空间矢量V1的作用时间减少2倍死区时长即可。

参见图8-1至8-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态2、4、10和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，那么在考虑死区补偿时，需要将基本空间矢量V1的作用时间减少2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间增加2倍死区时长。

参见图9-1至9-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态4、6、8和10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了2倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，只需将基本空间矢量V2的作用时间减少2倍死区时长即可。

通过上述分析可知，对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，是采用对至少一个非零基本空间矢量(扇区一即基本空间矢量V1和V2)的作用时间增加2倍死区时长或者减少2倍死区时长来实现死区补偿的目的的，至于对一个还是两个基本空间矢量进行增加或者减少而达到死区补偿的目的，由三相电流的方向和调制矢量所处扇区决定。本发明的实施例中对扇区一的情况进行了详细说明，当调制矢量处于其他扇区的情形，根据本发明实施例公开的内容，本领域技术人员结合本领域的公知常识，在不花费创造性劳动的情况下已经知晓，本发明已经进行了充分的公开。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。