新能源汽车同步电机伺服系统中的死区分析及补偿

杨家印

摘  要：随着新能源汽车的发展，对其电机伺服系统的控制要求越来越高。该文对新能源汽车同步电机伺服系统进行了分析，从原理上找出了死区存在的原因，并進一步对消除死区的控制策略进行了研究。从理论上实现了对电机伺服系统中死区的补偿，为同步电机的控制分析提供一定参考。

关键词：新能源汽车;同步电机;伺服系统;死区补偿

中图分类号：TM303               文献标志码：A

0 前言

随着经济的发展和传统燃油车排放问题愈发凸显，新能源汽车市场需求越来越大，同时新能源汽车的技术发展也越来越快。在新能源汽车的硬件快速发展的同时，对其软件控制系统也随之提出了更高的要求。在新能源汽车的硬件系统中，电机是重要部件之一，目前应用比较普及的是永磁同步电机和无刷直流电动机2种。永磁同步电机在新能源汽车上的控制理论基础是1971年A.A.Clark等人申请的专利“异步电机定子电压的坐标变换控制”。后随着研究的不断发展和深入，国内外均对其进行了深入的研究。该文以新能源汽车同步电机伺服系统作为研究对象，对其死区进行一定分析和补偿研究。

1 新能源汽车同步电机伺服系统控制策略简述

1.1 硬件支撑系统

对新能源汽车同步电机伺服系统的软件控制系统进行分析的前提是建立在其硬件支撑系统上的，为此先对新能源汽车同步电机伺服系统的硬件支撑系统进行简述。

该文所分析的新能源汽车同步电机为永磁同步电机，其额定输入电压为330 V，转速为2 500 r/min，额定功率为30 kW。同时借鉴行业经验以及电机特性，硬件主控器选用的DSP型号为TMS320LF2812A，驱动信号输出及保护电路选择CPLD。其他一些硬件的选择不单独列出，其硬件系统设计如图1所示。

在图1中，其CAN通信接口、电压电流AD、用户数字控制按钮等模具均与主控系统构成双向传递，单片机处理温度传感器检测的数据。

1.2 软件系统

该文所分析的系统硬件电机采用的是嵌入式永磁同步电机，这种电机具有交轴和直轴电感差异比较大的特性。在实际应用上，也正是利用这一特性来扩展同步电机的速度范围，以获得更优异的速度控制效果。结合其电机这一特性，并从工程应用的角度和现有成熟的控制方案入手，采用弱磁控制和最大转矩电流比（缩写为：MTPA）相结合的办法。前者是同步电机在恒功率区工作，当产生的反电动势与逆变器电压极值相等时，就会出现由于无法实现对电机进行电流控制而导致不能提高转速的情况发生，这个时候就需要弱磁控制。对应的这个临界速度值如式（1）所示。

由于最大转矩电流比控制和弱磁控制均是采用矢量控制法，那么控制框图和矢量控制是一样的。但是由于两者的电流特性不同，因此需要修正一些关键部分。

2 新能源汽车同步电机伺服系统中死区原理分析

为对新能源汽车同步电机伺服系统中的死区原理进行分析，下面给出其同步电机的驱动电路原理图，如图2所示。

由图2可知，原理上同一相的上桥臂和下桥臂会存在同时导通发生短路的可能。那么为了避免这种情况，就需要在绝缘栅双极型晶体管（简称：IGBT）中计入死区时间。实现这种加入死区时间的办法有2种，第1种的控制思路是将准备关断的功率管与理想波形同时关断，而让准备开通的功率管延迟一定时间（通常在程序中设定）后再开通。第2种控制思路是让准备关闭的功率管此理想波形的提前一定时间关断，同时让准备开通的功率管延迟相同的时间后开通。将上述思路，采用波形图表达，如图3、图4所示。

图4中，准备关闭的功率管比理想波形提前关断的时间为Td/2。在图3和图4中，（A）表示不含死区时间的A相理想电压输出波形Ua0;（B）表示功率管正电压的实际控制波形Ua+;（C）表示功率管负电压的实际控制波形Ua-，后缀0代表关断，1代表开通;（D）是A相实际电压输出波形Ua;（E）是A相误差电压输出波形Ua-Ua0。

那么，这个设定的功率管延迟时间就是死区时间。在这个时间内，上下功率管都不导通。这会带来误差电压脉冲、波形畸变等问题。

3 新能源汽车同步电机伺服系统中死区补偿策略

根据上面对新能源汽车同步电机伺服系统中死区的原理的分析，该文采用这样的办法对其进行补偿：设功率管延迟时间也就是死区时间为Td，然后在该死区时间下计算获得死区效应的电压矢量（用Ud表示），并将其补偿矢量项作为基本电压矢量项应用于矢量控制中SVPWM的生成阶段，这样就可以实现死区补偿。

在具体补偿计算方法上，一般采用基本电压矢量畸变补偿法。在极坐标下对其进行扇区划分，然后根据参考电压所在扇区选取相邻基本矢量电压和零电压进行合成。这样就可以对由于基本电压矢量畸变而带来的幅值偏差按不同扇区进行补偿。结合图5，举例分析其补偿过程。

同理可以进一步计算得出不同扇区、不同电流极性下，死区效应电压矢量Ud在理想电压矢量Us相邻两相基本矢量投影的情况。这样，就可以推导得出全空间内存在的36种Udc、Udy。下面以第一扇区Ⅰ举例，用列表的方式导出其Udc、Udy表达式（见表1）。

在实际工程应用上，上述这种补偿方法需要将扇区划分为36个，这样计算量大，而且较为烦琐。因此，可以采用这样的办法对其进行简化：将电压Ud向静止两项坐标系α、β投影，得到死区电压矢量，用Udα，Udβ表示。这样，就可以使用静止坐标系下理想参考电压（用Uα，Uβ表示）来计算得到图2中各个桥臂的开闭时间，然后利用补偿法，计算其死区电压Udα，Udβ对理想电压Uα，Uβ的影响，以此来准确定量消除死区的影响。同样，再以列表的方式获得死区电压矢量Udα，Udβ的表达式（见表2）。

4 结语

该文对新能源汽车同步电机伺服系统的控制策略进行了介绍，分析了控制策略中死区存在的原因，并结合工程实际提出了补偿策略，为同步电机伺服系统的控制提供了一定分析和参考。

参考文献

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