永磁同步电机伺服系统的死区效应补偿方法研究

摘要

目前，采用PWM调制策略的电压源型逆变器在永磁同步电机伺服系统中得到了广泛的应用，然而死区效应是影响高性能永磁同步电机伺服系统控制精度的一个主要因素。功率器件的死区时间、开关固有特性等非线性特性使逆变器的实际输出电压和给定电压之间存在误差，该畸变电压会激励出误差电流，特别是当永磁同步电动机低速轻载运行时，使电动机转矩脉动较大，伺服系统的控制性能明显下降，因此必须对逆变器的死区效应进行分析和补偿。
　　本文首先在MATLAB/Simulink环境下完成了永磁同步电动机伺服系统的仿真实验，结果表明搭建的仿真系统具备良好的动静态性能。然后对逆变器死区效应的产生机理进行了定量分析，研究了死区时间和开关管通态压降对逆变器输出电压和输出电流的影响。其中，推导了逆变器输出基波电压矢量的幅值、相位随电动机功率因数角变化的表达式，并且定性分析了零电流钳位现象产生的原因。之后，利用MATLAB/Simulink仿真工具验证了死区时间和管压降对永磁同步电动机伺服系统的不利影响。
　　目前传统的补偿方法一般通过检测电流极性来实现逆变器畸变电压的补偿，但实际电流中存在PWM噪声等干扰，严重影响了过零点电流极性检测的准确性。一些学者避开该问题而提出了基于时间延迟控制的补偿方法，但该方法在估算扰动电压时由于电机参数不匹配会导致补偿效果十分有限。为了提高补偿精度，本文提出了基于PI型电压内环控制的改进补偿方法。本方法在线测量逆变器的实际输出电压，在电压PI调节器的作用下能够使逆变器实际输出电压较好地动态跟踪上实际输出电压，达到显著减小畸变电压的目的。在MATLAB/Simulink仿真环境下，针对电压PI调节器的动态跟踪性能选取了一组合适的比例、积分参数，并得到了补偿前后d-q轴误差电压随定子频率变化的曲线图。通过对比不同开关频率时的MATLAB/Simulink仿真结果，验证了该方法的有效性、可行性，其补偿效果优于基于时间延迟控制的补偿方法。
　　最后，利用 dSPACE半实物仿真平台对提出的死区效应补偿方法进行了实验验证。对实验结果进行了对比分析，再次证明了本文提出的补偿方法的正确性、可行性及有效性。

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目录

1绪 论

1.1课题背景

1.2 永磁同步电机伺服系统的发展

1.3死区效应补偿方法的研究现状

1.4本文的研究目的及主要内容

2 基于矢量控制的永磁同步伺服系统的研究

2.1 永磁同步电动机的数学建模

2.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术

2.3 基于矢量控制的永磁同步电机伺服系统的建立

2.4基于矢量控制的永磁同步电机伺服系统仿真研究

2.5 本章小结

3 逆变器死区效应分析及其补偿方法研究

3.1 逆变器死区效应分析

3.2 死区效应的补偿方法研究

3.3 基于MATLAB/Simulink的死区效应及补偿方法仿真

3.4 本章小结

4 基于dSPACE平台的半实物仿真实验

4.1 dSPACE系统介绍

4.2 基于dSPACE的仿真实验

4.3本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录: A.控制器I/O接口和电机实物图