永磁同步電機(jī)逆變器驅(qū)動(dòng)中死區(qū)實(shí)現(xiàn)新方法
韓鋒，馬瑞卿，孫銀川，王穆移
（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）
摘要：針對(duì)永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)中逆變器同一橋臂上下功率管存在的直通問(wèn)題，就傳統(tǒng)“死區(qū)”硬件設(shè)置電路中死區(qū)時(shí)間難于調(diào)整的缺點(diǎn)，在分析死區(qū)工作機(jī)理及其解決方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件( cpld)來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間在線調(diào)節(jié)的新方法，仿真和試驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單有效，死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，無(wú)溫漂。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；伺服控制；逆變器；死區(qū)；cpld
中圖分類號(hào)：tm351；tm341；tp73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)0?-0095-03
1 pmsm驅(qū)動(dòng)三相逆變橋直通的原因
圖l為三相pmsm的電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中vl~ v6為六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，a、b、c為永磁同步電機(jī)三相星形繞組，通過(guò)pwm脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率管的控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)pmsm的運(yùn)行。功率管常用icbt，但igbt的耐過(guò)壓能力和耐過(guò)流自己力較差，一旦出現(xiàn)直通短路就會(huì)造成****性損壞，因此，其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就成為逆變器能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。一般igbt有嚴(yán)格的安全工作區(qū)(soa)，其承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾個(gè)微秒，耐過(guò)流的余量很小，因此必須考慮直通短路問(wèn)題。
一般逆變器產(chǎn)生過(guò)流或短路的原因有icbt損壞、內(nèi)置快速恢復(fù)二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障、干擾等引起的誤動(dòng)作，以及輸出線接錯(cuò)、輸出對(duì)地短路、電機(jī)絕緣擊穿、逆變器橋臂直通等形成的短路。其中逆變器同一橋臂直通短路故障最應(yīng)關(guān)注，同一橋臂上下功率管在任一時(shí)刻都不能存在同時(shí)導(dǎo)通的可能性，始終要處于開(kāi)關(guān)互逆狀態(tài)否則就會(huì)發(fā)生橋臂直通現(xiàn)象，導(dǎo)致功率器件的損壞。
圖2為逆變器同一橋臂上下功率管ql、q2的理想控制波形。由于實(shí)際應(yīng)用中igbt功率管的關(guān)斷和開(kāi)啟都存在一定的時(shí)間延遲，即開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間其中，開(kāi)通時(shí)間為開(kāi)通延遲時(shí)間和電流上升時(shí)間之和，關(guān)斷時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間和電流下降時(shí)間之和。
考慮到功率管開(kāi)通和關(guān)斷延遲時(shí)間，則橋臂上下功率管中的電流波形如圖2中i1、i2所示，比較i1和i2可知，在tl時(shí)間段，同一橋臂上下兩個(gè)功率管，一個(gè)未完全關(guān)閉時(shí)另一個(gè)就已經(jīng)開(kāi)啟，則橋臂上下功率管在tl時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生直通短路，雖然在一個(gè)pwm周期內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間tl非常短，但在功率管中會(huì)產(chǎn)生很大的電流，如果電流超出功率管的soa，就會(huì)導(dǎo)致功率管燒毀；如果逆變器負(fù)載小，電流未超出soa，又會(huì)使功率管發(fā)熱產(chǎn)生熱損壞。所以在大功率系統(tǒng)中需要對(duì)igbt功率管進(jìn)行過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，但最主要的就是橋臂上下管設(shè)置“死區(qū)”時(shí)間以避免這種情況發(fā)生。
2死區(qū)的原理及其實(shí)現(xiàn)方法
一般在電壓型pwm逆變器中，為了避免同一橋臂上下功率的直通，可以采用兩種方法：即調(diào)整開(kāi)關(guān)管或者調(diào)整spwm控制信號(hào)。
第一種方法主要是調(diào)整開(kāi)關(guān)管的閉合時(shí)間，使得開(kāi)關(guān)管的斷開(kāi)比閉合快。
第二種方法是在上下兩路互補(bǔ)的pwm控制信號(hào)中增加“死區(qū)”，使直流母線正側(cè)功率管閉合與負(fù)側(cè)功率管斷開(kāi)之間有一定的延時(shí)，這樣就可以避免同時(shí)導(dǎo)通，實(shí)踐證明第二種方法簡(jiǎn)單方便。
圖3是加入死區(qū)后的控制信號(hào)和電流波形，控制信號(hào)qdi與qm,在上升沿與下降沿之間都注入了一定的“死區(qū)”時(shí)間to，這樣同一橋臂的上下功率管是在一個(gè)完全關(guān)閉以后另一個(gè)才會(huì)導(dǎo)通，同一橋臂的上下功率管電流沒(méi)有相交的地方，從而不會(huì)出現(xiàn)壹通現(xiàn)象，可見(jiàn)死區(qū)控翩為避免功率逆變器的直通提供了有效的控制方式。
“死區(qū)”可以采用硬件rc延遲電路來(lái)產(chǎn)生，如圖4所示。輸入的方波信號(hào)in通過(guò)兩個(gè)反相器與rc延遲電路以后，輸出的方波信號(hào)out的上升沿和下降沿相對(duì)信號(hào)in都會(huì)有一定的延遲，延遲時(shí)間可由電阻和電容的值來(lái)決定(t= rc)，一般固定電容改變電阻比較容易調(diào)試。但是，該方法延遲時(shí)間不易修改，而且很難得到準(zhǔn)確的延時(shí)，因此，該方法在實(shí)際應(yīng)用中有諸多不便。
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