永磁同步電機逆變器驅動中死區(qū)實現新方法
韓鋒，馬瑞卿，孫銀川，王穆移
（西北工業(yè)大學自動化學院，西安710072）
摘要：針對永磁同步電機交流伺服控制系統(tǒng)中逆變器同一橋臂上下功率管存在的直通問題，就傳統(tǒng)“死區(qū)”硬件設置電路中死區(qū)時間難于調整的缺點，在分析死區(qū)工作機理及其解決方法的基礎上，提出了一種基于復雜可編程邏輯器件( CPLD)來實現死區(qū)時間在線調節(jié)的新方法，仿真和試驗表明，該方法簡單有效，死區(qū)時間調節(jié)準確，無溫漂。
關鍵詞：永磁同步電機；伺服控制；逆變器；死區(qū)；CPLD
中圖分類號：TM351；TM341；TP73 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)0?-0095-03
1 PMSM驅動三相逆變橋直通的原因
圖l為三相PMSM的電壓型逆變器拓撲結構圖。圖中Vl~ V6為六個功率開關管，A、B、C為永磁同步電機三相星形繞組，通過PWM脈寬調制技術實現功率管的控制，進而驅動PMSM的運行。功率管常用ICBT，但IGBT的耐過壓能力和耐過流自己力較差，一旦出現直通短路就會造成****性損壞，因此，其驅動和保護就成為逆變器能否可靠工作的基礎和關鍵。一般IGBT有嚴格的安全工作區(qū)(SOA)，其承受過電流的時間僅為幾個微秒，耐過流的余量很小，因此必須考慮直通短路問題。
一般逆變器產生過流或短路的原因有ICBT損壞、內置快速恢復二極管損壞、控制與驅動電路故障、干擾等引起的誤動作，以及輸出線接錯、輸出對地短路、電機絕緣擊穿、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關注，同一橋臂上下功率管在任一時刻都不能存在同時導通的可能性，始終要處于開關互逆狀態(tài)否則就會發(fā)生橋臂直通現象，導致功率器件的損壞。
圖2為逆變器同一橋臂上下功率管Ql、Q2的理想控制波形。由于實際應用中IGBT功率管的關斷和開啟都存在一定的時間延遲，即開通時間和關斷時間其中，開通時間為開通延遲時間和電流上升時間之和，關斷時間為關斷延遲時間和電流下降時間之和。
考慮到功率管開通和關斷延遲時間，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時間段，同一橋臂上下兩個功率管，一個未完全關閉時另一個就已經開啟，則橋臂上下功率管在Tl時間內就會發(fā)生直通短路，雖然在一個PWM周期內同時導通的時間Tl非常短，但在功率管中會產生很大的電流，如果電流超出功率管的SOA，就會導致功率管燒毀；如果逆變器負載小，電流未超出SOA，又會使功率管發(fā)熱產生熱損壞。所以在大功率系統(tǒng)中需要對IGBT功率管進行過流和過熱保護，但最主要的就是橋臂上下管設置“死區(qū)”時間以避免這種情況發(fā)生。
2死區(qū)的原理及其實現方法
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：即調整開關管或者調整SPWM控制信號。
第一種方法主要是調整開關管的閉合時間，使得開關管的斷開比閉合快。
第二種方法是在上下兩路互補的PWM控制信號中增加“死區(qū)”，使直流母線正側功率管閉合與負側功率管斷開之間有一定的延時，這樣就可以避免同時導通，實踐證明第二種方法簡單方便。
圖3是加入死區(qū)后的控制信號和電流波形，控制信號QDI與Qm,在上升沿與下降沿之間都注入了一定的“死區(qū)”時間TO，這樣同一橋臂的上下功率管是在一個完全關閉以后另一個才會導通，同一橋臂的上下功率管電流沒有相交的地方，從而不會出現壹通現象，可見死區(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延遲電路來產生，如圖4所示。輸入的方波信號IN通過兩個反相器與RC延遲電路以后，輸出的方波信號OUT的上升沿和下降沿相對信號IN都會有一定的延遲，延遲時間可由電阻和電容的值來決定(T= RC)，一般固定電容改變電阻比較容易調試。但是，該方法延遲時間不易修改，而且很難得到準確的延時，因此，該方法在實際應用中有諸多不便。
針對傳統(tǒng)RC延遲電路的缺點，本文涉及出即保留了硬件電路的快速性和可靠性，又克服了其參數不容易發(fā)生缺點的延時方法，即利用可編程器件（CPLD），通過軟件編程產生“死區(qū)”。CPLD是陳列型高密度PLD器件，其內部其內部程序易于修改，“死區(qū)”設置準確.
3基于CPLD死區(qū)的實現方法
圖5為基于CPLD的“死區(qū)”實現原理框圖，將PWM信號發(fā)生電路產生的一定占空比的PWM波()送人CPLD，經過處理生成擁有死區(qū)時間的兩路信號QD1、QD2，通過驅動電路，控制上、下橋臂功率管、他的通斷，由于控制信號、都注入了死區(qū)時間，從而避免了同一橋臂上下功率管的直通，實現了死區(qū)保護。
CPLD內部死區(qū)的實現原理圖如圖6所示。PWM波通過邏輯處理生成一路與PWM波信號(Q)嚴格互補的信號QD，由于CPLD外部采用高精度有源晶振（30MHz)，通過分頻作為死區(qū)計數器的時鐘信號，再根據上位機計算機(或DSP)或者CPLD內部設定的死區(qū)時間控制字(CNT)，在CPLD內部分別對Q和QD注入死區(qū)時間，變成兩路驅動信號QD1和QD2，這樣只要改變死區(qū)時間控制字即可控制死區(qū)大小。
死區(qū)時間的注入是按照圖7所示的方式來實現的，Q、QD是經過邏輯處理后嚴格互補的PWM波，根據上位機（或DSP）傳輸的死區(qū)時間控制字CNT，對兩個信號進行上升沿處理，使得其上升沿分別延時Tl、T2后再輸出，下降沿不做任何處理，延時時間Tl、T2可以由控制字CNT決定或者內部設定固定延時，這樣同一橋臂上下功率管的控制信號上升沿和下降沿分別就有Tl、r2的死區(qū)時間，由于開通時間ton和關斷時間toff不同，一般情況下死區(qū)時間取較大的值，且取r1 =r2=r。通過注入死區(qū)后，QD1的脈寬等于9的脈寬減去死區(qū)時間，即bl -7；QD2的脈寬等于QD的脈寬減去死區(qū)時間。工程應用中，死區(qū)一般留有0 5倍的裕量。
4 Quartusll仿真和試驗
由于本系統(tǒng)相對比較復雜，采用全方位硬件描述語言( VHDL)在Quatrusll軟件平臺上進行仿真，該語言采用類似****語言的語句格式，完成對硬件行為的描述，具備更強的模塊化能力，擁有更好的可讀性和移植性，非常有利于工程設計和開發(fā)。圖8為基于上述原理的Quatrusll仿真波形：
在圖8中，clk為外部高精度有源晶振的時鐘信號，rst為復位信號（低有效），PPWMK為PWM波，ZGA、ZGB為注入死區(qū)后的PWM波，死區(qū)時間為9ns，仿真波形和理淪分析吻合，驗證了該方法的可行性。圖9和圖10分別為3.2和1.3死區(qū)時間試驗波形。
5結論
本文在分析PMSM的伺服控制系統(tǒng)逆變器直通產生的原因及其硬件解決方法的基礎上，提出了一種基于CPLD的“死區(qū)”產生耘方法，“死區(qū)”大小可通過上位計算機（或DSP）在線調節(jié)，仿真和試驗驗證表明，該方法實現簡單有效，死區(qū)時間可控，準確、無溫漂，具有工程實際意義。
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