一种新颖的SPMSM驱动系统自适应死区补偿方法

摘要：逆变器死区效应将造成电机电流畸变，为提高表贴式永磁同步电机电流控制精度，提出一种自适应死区电压补偿策略。该方法利用参考电流建立d、q轴死区电压核函数，能够在表贴式永磁同步电机电阻、电感参数未知的情况下，对d、q轴死区电压的幅值进行辨识，将辨识的电压幅值与其核函数相乘得到所需补偿的死区电压。从而解决了输死区电压造成的相电流畸变难题。仿真结果表明，所提出的电流控制策略能够有效减少相电流谐波含量、提高电流控制精度。

关键词：表贴式永磁同步电机;驱动系统;死区效应;相电流畸变;自适应补偿

中图分类号： TP273        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）04-0015-04

Abstract： The deadtime effect of voltage source inverter （VSI） produce the phase current distortion of the motor. In order to enhance the current control accuracy of the surface mounted permanent magnet synchronous motor （SPMSM）， an adaptive deadtime voltages compenation strategy is proposed. The proposed method uses the reference current commands to model the kernel function of the d and q axes deadtime voltages and then identifies the ampitudes of the d and q axes deadtime voltages in the case of unknown resistor and inductance of the motor. The compensated deadtime voltages are equivalent to the product of identified amplitudes and kernel functions. Then， the problem of phase current distortion is successfully solved. The simulation results show that the amplitude of phase current harmonics are reduced effectively， and the current control accuracy is enhanced.

Key words： surface mounted permanent magnet synchronous motor; drive system; deadtime effect; phase current distortion; adaptive compensation

表貼式永磁同步电机（SPMSM）功率密度高、输出转矩与q轴电流成比例，被广泛应用于高精度伺服系统[1]。矢量控制技术采用级联控制结构，电流控制性能决定了转矩控制精度和电机铜耗，是影响调速系统性能的关键因素。常规PID控制简单易行，但对系统参数和外界扰动的鲁棒性较差。针对这一缺点，文献[2-4]分别提出自适应PID控制[2]、模糊PI控制[3]、模型预测控制[4]以提高电流控制精度。

当电机运行于低速轻载工况时，逆变器死区效应将造成电机相电流畸变严重[5]。重复控制[6]能够有效抑制系统周期扰动，但电机低速运行时，该算法需要存储一个周期电流的采样值，这对CPU的内存消耗较大。文献[7]提出一种在线延时补偿算法，该算法可省掉开关器件没有必要的开通和关断，具有输出电流谐波含量小的有点，但该方法需要在线计算电机反电动势，电机温度的变化会造成反电动势计算出现误差，进而影响补偿精度。文献[8]基于死区电压模型，提出基于q轴电流误差的死区时间补偿算法，但文中并未对算法的全局稳定性进行讨论。文献[9]提出一种新型的最小均方电流控制算法，具有低计算量和较好的参数鲁棒性。

本文将同步旋转坐标系下死区电压模型表示为核函数与不确定乘子的乘积的形式，通过设计渐进稳定的自适应扰动观测器对未知乘子进行在线辨识，选用参考电流指令代替实际电机相电流计算核函数，有效消除了零电流钳位现象。理论和仿真分析表明该方法只需已知电阻与电感参数的界，便可实现对死区电压的有效补偿。

1 同步旋转坐标系下电压源逆变器死区电压模型

3 仿真研究

在Matlab/Simulink环境下搭建了SPMSM调速系统仿真平台。其中，死区时间3μs、电流环、速度环采样时间分别为100μs、500μs，SVPWM采样频率10kHz，所用电机电参数如表1所示。

首先，在PI电流控制策略下相电流波形如图3所示。由图3可知，电流在过零时出现的较明显的零电流钳位现象，这使得相电流波形畸变严重。通过对相电流进行频谱分析知，死区电压使得相电流中出现了5、7、11、13次谐波，相电流畸变率为20.18%，如图4所示。

在PI电流控制器中加入本文所提自适应死区电压补偿器，零电流钳位现象已被基本消除，电流波形接近理想的正弦波如图5所示。通过对相电流进行频谱分析知，5、7、11、13次谐波已基本被消除，相电流畸变率降到2.74%，如图7所示。补偿器输出电压如图8所示。

4 结语

推导了同步旋转坐标系下的死区电压模型，并将死区电压表示为未知慢变乘子系数与核函数相乘的形式。用参考电流指令替代真实电流计算核函数，避免零电流钳位造成的核函数判断误差，提出一种在已知SPMSM电阻、电感参数的界的情况，对死区电压的未知乘子进行在线辨识的自适应死区电压补偿器，并证明了算法渐进稳定性。

参考文献：

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[9] Tang Z Y，Akin B.A new LMS algorithm based deadtime compensation method for PMSM FOC drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2018，54（6）：6472-6484.

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