逆变器死区补偿转速抖动



死区补偿（非线性补偿）方法介绍

死区补偿（非线性补偿）方法介绍

在逆变器控制系统中，死区时间的引入是为了避免上下桥臂同时导通导致的短路情况。然而，死区时间的存在会对逆变器的性能产生不利影响，如降低控制精度和增加输出电压谐波。为了克服这些影响，需要采用死区补偿方法。

一、死区效应及其影响

死区效应主要体现在逆变器输出电压波形的畸变上。当相电流输出为正时，在死区时间内，下桥臂的体二极管会导通，导致输出的负脉冲时间比期望值偏长；相反，当相电流为负时，上桥臂的体二极管会导通，导致正脉冲的时间变长。这种效应在轻载低频情况下尤为明显，可能导致零电流钳位现象，进一步加剧电流波形的畸变。

二、死区补偿方法

为了克服死区效应的影响，可以根据电流的方向对对应的桥臂进行占空比补偿。补偿量的多少和补偿的时机是两个关键考虑因素。

补偿量的确定

补偿量通常使用Vdead的值作为参考。Vdead的计算公式为：

[V_mathrm{dead}=frac{T_mathrm{dead}+T_mathrm{on}-T_mathrm{off}}{T_s}u_mathrm{dc}]

其中，Tdead为死区时间，Ton和Toff分别为开关器件的导通和截止时间，Ts为PWM周期，udc为直流母线电压。

补偿时机的选择

补偿时机取决于输出电流的方向。当输出电流为正时，需要加大占空比；当输出电流为负时，需要减小占空比。获取输出电流方向的方法有两种：

直接使用测量值：这种方法简单直接，但在电流过零点附近，电流值可能频繁在正负之间切换，导致补偿值反复跳变，影响系统稳定性。

通过计算获取电流方向：这种方法可以避免电流过零点附近的跳变问题，但会增加系统的计算量。具体实现时，可以通过计算电流与电压的相位差来确定电流方向。

补偿量的实施

在实施补偿时，需要根据电流的角度对相应的相进行补偿。假设U相的电流为cosθ，那么三相电流与θ的关系可以用一个周期（2π）划分为0到5的六个等分区间来表示。每个区间中都只有一相的电流过零，另外两相电流方向并没有改变。因此，可以将θ以-π/6~π/6为周期进行划分，并确定每个区间内三相的补偿量。

补偿量函数形式为：

[V_{comp}(theta)=sat(A theta)]

其中，sat()为饱和函数，上限为+Vdead，下限为-Vdead，A为增益。A的值可以固定，也可以根据系统需求进行调整。例如，可以通过PI控制器根据Id的波动大小来获取A的值，从而实现更精确的补偿。

三、仿真效果与验证

通过仿真可以验证死区补偿方法的有效性。在仿真中，可以观察到在切入死区补偿后，Id和Iq的纹波会逐渐减少，从而验证了死区补偿方法的有效性。

综上所述，死区补偿方法是一种有效的克服逆变器死区效应的方法。通过精确计算补偿量和选择合适的补偿时机，可以显著提高逆变器的控制精度和输出电压波形质量。

VVVF（恒压频比）控制学习

VVVF（恒压频比）控制学习

VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制，即恒压频比控制，是一种广泛应用于异步电机调速的控制策略。以下是对VVVF控制的详细学习内容。

一、VVVF控制概述

VVVF控制是一种基于电机稳态数学模型的开环控制系统。其出发点是保持电机每极磁通恒定，通过同时调节定子电压和频率来实现对电机转速的控制。相比于矢量控制，VVVF控制具有简单、受参数变化影响小、成本低等优点，在交流调速领域应用广泛。

二、VVVF控制工作原理

在电机控制过程中，保持每极磁通恒定是关键。根据电机学基本原理，异步电机定子每相绕组电动势有效值与气隙磁通在每相中感应电动势的有效值、定子电压频率以及每极气隙磁通量有关。因此，通过控制定子电压和频率，可以实现对磁通有效值的控制。

在基频以下，为了保持磁通有效值不变，当频率从电机的额定频率往下调节时，必须同时降低定子电压，使定子电压与频率之比保持恒定。这就是“恒压频比VF”的控制方式。由于绕组中的气隙感应电动势不能直接被检测到，而定子相电压的基波有效值已由变频电源给出，并且当电动势有效值较大时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，认为定子相电压有效值等于气隙感应电动势有效值。

三、VVVF控制仿真搭建

在VVVF控制系统中，发波的方式主要有正弦脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）两种。

SPWM方式：通过调制正弦波信号的占空比，生成一系列等幅不等宽的脉冲信号，从而控制逆变器的输出电压和频率。这种方式实现简单，但谐波含量相对较高。

SVPWM方式：通过控制逆变器开关器件的开通和关断，使输出电压的空间矢量尽可能接近理想的圆形旋转磁场，从而减小谐波含量，提高输出电压的波形质量。这种方式实现相对复杂，但性能更优。

以下是VVVF控制系统的仿真搭建框图和波形变化情况：

图1 VF控制系统框图（SPWM）图2 VF控制系统框图（SVPWM）图3 VF控制系统仿真模型系统图4 VF控制系统仿真模型波形变化情况

从仿真结果可以看出，当电机转速下降时，对应的定子电压也随之下降，与VF的控制原理相对应，说明搭建的VF调速系统是正确的。

四、VVVF控制性能优化

虽然VVVF控制具有诸多优点，但由于其开环控制的特性，存在动态性能差、带负载能力差等问题。因此，在实际应用中，可以通过以下措施对VVVF控制性能进行优化：

增加转矩电流环：通过引入转矩电流环，可以提高系统的动态响应速度和带负载能力。补偿定子电阻压降和死区影响：通过精确测量和补偿定子电阻压降以及逆变器死区时间的影响，可以进一步提高系统的控制精度和稳定性。采用先进的控制算法：如模糊控制、神经网络控制等先进控制算法的应用，可以进一步提升VVVF控制系统的性能。

五、总结

VVVF控制作为一种简单、有效的异步电机调速策略，在交流调速领域具有广泛的应用前景。通过对其工作原理、仿真搭建以及性能优化等方面的学习，可以更好地理解和应用VVVF控制技术，为电机控制系统的设计和优化提供有力支持。

协作关节模组核心部件-无框电机设计

协作关节模组核心部件-无框电机设计

无框电机作为协作关节模组的核心部件，其设计需综合考虑扭矩性能、温度性能以及电性能等多个方面。以下是对无框电机设计的详细阐述：

一、扭矩性能

转矩波动

转矩波动主要由永磁电机、逆变器和控制系统中的非理想因素造成，包括磁链谐波、齿槽转矩、电流采样误差和逆变器死区效应等。

在电机设计阶段，采用斜槽、斜极等措施可以优化电机设计，削弱由磁链谐波和齿槽转矩造成的转矩波动。

对于已设计完成的电机，需利用控制策略抑制磁链谐波、电流采样误差及逆变器死区电压的影响，并通过控制电磁转矩补偿齿槽转矩，实现恒定转矩输出。

推重比

推重比是电机最大扭矩与电机重量的比值，是评估电机性能的重要指标。

在机器人领域，期望电机具有重量轻、扭矩大的特点，因此推重比越高越好。

不平衡磁拉力

不平衡磁拉力会引起电机的振动和噪声，加剧机械偏心时的振动和噪声。

为避免不平衡磁拉力，不推荐选择槽数和极数接近的奇数组合，如9/8、15/14、21/22等。

本次设计采用24槽28极，通过参数优化，不平衡磁拉力非常小。

二、温度性能

铜耗与铁耗

电机稳定运行时，会产生热量，需考虑散热以达到温度平衡。

铜耗主要由绕组电流产生，铁耗则与电机铁芯的磁滞和涡流损耗有关。

温度退磁

温度升高会影响永磁体的磁性能，存在高温退磁的风险。

需选择合适的永磁材料，并考虑温度对磁性能的影响，进行温度场仿真分析。

温度场仿真分析

根据铁耗与铜耗进行温度场仿真，评估电机在额定工况下的温升。

室温22度时，额定工况下的温升约为45度，达到68度。需结合实验结果进行验证。

三、电性能

反电动势

反电动势是电机运行时产生的反向电动势，需考虑其对驱动器设计的影响。

在SVPWM调制中，需满足调制深度要求，确保合成矢量在线性区域内调制。

母线电压选择安全电压48V，相电压最大值不能超过32V。

通过仿真分析，额定电流6.75A、转速3000rpm时，单相反电动势25V小于32V，满足工作要求。

功率因数

功率因数是电机设计中的重要考虑因素，涉及电机设计、驱动板设计以及算法选择。

永磁同步电机矢量控制系统的电流控制方法有多种，包括id=0控制、力矩电流比最大控制、功率因数等于1的控制以及恒磁链控制等。

在id=0控制下，功率因数会随着电流的增大而减小，需兼顾算法层面的需求进行驱动器件选型。

最大电流

最大电流的选定需考虑母线电压、反电动势和功率因数等因素。

根据NI确定匝数后选择电流，电流确定后给到驱动硬件做参考。

本次设计的无框电机额定电流为6.75A，最大电流为20A。

四、设计总结

本次设计的无框电机在扭矩性能、温度性能和电性能等方面均进行了综合考虑和优化。通过参数优化和仿真分析，得到了以下初步结论：

额定扭矩0.52Nm，峰值扭矩1.2Nm；齿槽转矩0.0047Nm，额定扭矩波动0.0052Nm，扭矩波动占比1%以下。不平衡磁拉力非常小，对电机性能影响不大。额定工况下的铁耗与铜耗已进行仿真分析，温度场仿真结果显示室温22度时额定工况下的温升约为45度。母线电压选择48V，相电压最大值不超过32V；额定电流6.75A，最大电流20A；反电动势满足工作要求；功率因数需兼顾算法层面的需求进行驱动器件选型。

与市面上某协作机器人厂商的电机参数相比，本次设计的无框电机在推重比方面有一定优势，齿槽转矩虽然稍差但量级非常小，影响不大；且24槽抗偏心能力较强。综上所述，本次设计的无框电机满足协作关节模组的核心部件要求。

逆变器直流分量故障怎么处理？

逆变器常见故障及处理方法

1、绝缘阻抗低

使用排除法。把逆变器输入侧的组串全部拔下，然后逐一接上，利用逆变器开机检测绝缘阻抗的功能，检测问题组串，找到问题组串后重点检查直流接头是否有水浸短接支架或者烧熔短接支架，另外还可以检查组件本身是否在边缘地方有黑斑烧毁导致组件通过边框漏电到地网。

2、母线电压低

如果出现在早/晚时段，则为正常问题，因为逆变器在尝试极限发电条件。如果出现在正常白天，检测方法依然为排除法，检测方法与1项相同。

3、漏电流故障

这类问题根本原因就是安装质量问题，选择错误的安装地点与低质量的设备引起。故障点有很多：低质量的直流接头，低质量的组件，组件安装高度不合格，并网设备质量低或进水漏电，一但出现类似问题，可以通过在洒粉找出**点并做好绝缘工作解决问题，如果是材料本省问题则只能更换材料。

4、直流过压保护

随着组件追求高效率工艺改进，功率等级不断更新上升，同时组件开路电压与工作电压也在上涨，设计阶段必须考虑温度系数问题，避免低温情况出现过压导致设备硬损坏。

5、逆变器开机无响应

请确保直流输入线路没有接反，一般直流接头有防呆效果，但是压线端子没有防呆效果，仔细阅读逆变器说明书确保正负极后再压接是很重要的。逆变器内置反接短路保护，在恢复正常接线后正常启动。

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