PWM死区对永磁同步电动机低速运行性能的影响

    史敬灼，石静

(河南科技大学，河南洛阳471003)

    摘要：电动机驱动控制中，PWM死区引起绕组电流波形畸变，增大电动机输出转矩和转速脉动。电动机转速越低，PWM调制深度越小，死区影响越显著。从输出电压波形、输出合成电压矢量两个方面，对电动机低速运行情况下PWM死区的影响进行了细致分析，指出死区导致逆变器输出电压矢量波动，直接影响电动机低速运行性能。

    关键词：承磁同步电动机；驱动；PWM；死区

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)05—0005—05

0引言

    在基于PWM技术的电动机驱动装置中，PWM死区、功率开关器件的开通关断时间等非理想因素会引起绕组电流波形的畸变，增大电动机输出转矩和转速的脉动。其中死区的影响最显著，死区对逆变器输出电压的影响是多方面的。死区形成的偏差电压使实际输出的基波电压在相位和幅值上与理想情况不同^[1,2]。另一方面，死区对输出电压的谐波成分也有影响。死区带来了一系列的低次谐波，增大了电动机输出转矩脉动^[1,2]。同时，PWM调制深度越小，输出电压基波有效值越小，死区影响越显著^[1]。而小调制深度对应于电动机的低速轻载运行情况，死区也就直接影响到电动机控制系统调速范围的扩展和定位精度的提高。

    关于PWM死区对逆变器输出电压的影响，已经有许多学者进行了研究^[1-4]。但是，对于电动机低速轻载运行情况下PWM死区的影响还没有细致的分析。这种情况的特点是，PWM调制深度非常。小，以至于PWM控制脉冲宽度的调节范围与死区的宽度(时间)相当，甚至小于死区的宽度。对电动机低速轻载运行情况下PWM死区的影响进行细致分析，有助于了解电动机低速运行转速脉动的非线性本质，有利于控制器的合理设计。

    本文以基于DSP的三相永磁同步电动机驱动系统为例，在理论分析的基础上，结合仿真与实验研究，讨论了电动机低速轻载运行情况PWM死区的影响。

1 DSP生成的PWM控制脉冲的基本特征

    本文所述电动机控制系统中使用的DSP芯片为TMS320LF2407A。该DSP专用于电动机控制，内含PWM生成单元，只需设置相应的控制寄存器就可以生成需要的PWM控制脉冲。图l为三相逆变器上桥臂功率器件的PWM控制脉冲示意图，三相控制信号中线对齐，且各自左右对称。

   三相逆变器中，一相上、下桥臂功率器件的PwM控制脉冲为互补信号。为了防止上、下桥臂功率器件直通，PwM控制脉冲需要加入死区。在上述DsP芯片中，同样只需设置相应的控制寄存器就可以加入合适宽度的死区。

    实验用电动机为92BL(3)B75—30三相永磁同步电动机，额定功率750 w，转子四对极，定子为三相绕组星形接法。

    下文分析中，脉宽调制方法为单极性sPwM，DSP工作频率设定为40 MHz，PwM载波频率取为1O kHz，对应的DsP内部PwM周期计数器取值为2000，PwM比较寄存器可能的取值范围为O～2000，对应于脉冲宽度变化范围(0～4 000)·(DsP工作周期25 ns)。当PwM比较寄存器取值为1 000时，输出PwM脉冲占空比为百分之50，对应于sPwM调制波的过零点。电动机低速轻载运行情况下，要求的逆变器输出电压幅值低，对应的PwM比较寄存器实际调节范围也就小得多。例如对于实验用电动机，开环驱动空载转速为3.7 r／m·n时，PwM比较寄存器调节范围为910～1 090，对应的PwM调制深度为0.09；下文就以此运行状态为例进行分析。

    根据所用功率开关器件IGBT的特性参数，PwM死区时间取为3μs，对应的DsP中死区计数器取值为120^。PwM死区对逆变器输出电压的影响是与电动机绕组电流方向相关的。为便于叙述，下文分析中假定绕组电流与理想输出电压同相位。这一假定并不影响分析结论的规律。

2 PWM死区对输出电压波形的影响

    给定PwM调制深度，或者PwM脉冲宽度调节范围，可以通过仿真计算出输出相电压波形。仿真计算步骤如下：

    (1)设定调制波(正弦波)初始角度，U相为0^。，V相为120^。，W相为240^。；

    (2)查正弦函数表，得到U、V、W三相当前角度对应的正弦函数值；