摘要：针对永磁同步电机交流伺服控制系统中逆变器同一桥臂上下功率管存在的直通问题，就传统“死区”硬件设置电路中死区时间难于调整的缺点，在分析死区工作机理及其解决方法的基础上，提出了一种基于复杂可编程逻辑器件( CPLD)来实现死区时间在线调节的新方法，仿真和试验表明，该方法简单有效，死区时间调节准确，无温漂。

关键词：永磁同步电机；伺服控制；逆变器；死区；CPLD

中图分类号：TM351；TM341；TP73    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)0?-0095-03

    图l为三相PMSM的电压型逆变器拓扑结构图。图中Vl~ V6为六个功率开关管，A、B、C为永磁同步电机三相星形绕组，通过PWM脉宽调制技术实现功率管的控制，进而驱动PMSM的运行。功率管常用ICBT，但IGBT的耐过压能力和耐过流自己力较差，一旦出现直通短路就会造成****性损坏，因此，其驱动和保护就成为逆变器能否可靠工作的基础和关键。一般IGBT有严格的安全工作区(SOA)，其承受过电流的时间仅为几个微秒，耐过流的余量很小，因此必须考虑直通短路问题。

  一般逆变器产生过流或短路的原因有ICBT损坏、内置快速恢复二极管损坏、控制与驱动电路故障、干扰等引起的误动作，以及输出线接错、输出对地短路、电机绝缘击穿、逆变器桥臂直通等形成的短路。其中逆变器同一桥臂直通短路故障最应关注，同一桥臂上下功率管在任一时刻都不能存在同时导通的可能性，始终要处于开关互逆状态否则就会发生桥臂直通现象，导致功率器件的损坏。

    图2为逆变器同一桥臂上下功率管Ql、Q2的理想控制波形。由于实际应用中IGBT功率管的关断和开启都存在一定的时间延迟，即开通时间和关断时间其中，开通时间为开通延迟时间和电流上升时间之和，关断时间为关断延迟时间和电流下降时间之和。

  考虑到功率管开通和关断延迟时间，则桥臂上下功率管中的电流波形如图2中I1、I2所示，比较I1和I2可知，在Tl时间段，同一桥臂上下两个功率管，一个未完全关闭时另一个就已经开启，则桥臂上下功率管在Tl时间内就会发生直通短路，虽然在一个PWM周期内同时导通的时间Tl非常短，但在功率管中会产生很大的电流，如果电流超出功率管的SOA，就会导致功率管烧毁；如果逆变器负载小，电流未超出SOA，又会使功率管发热产生热损坏。所以在大功率系统中需要对IGBT功率管进行过流和过热保护，但最主要的就是桥臂上下管设置“死区”时间以避免这种情况发生。

    一般在电压型PWM逆变器中，为了避免同一桥臂上下功率的直通，可以采用两种方法：即调整开关管或者调整SPWM控制信号。

   第一种方法主要是调整开关管的闭合时间，使得开关管的断开比闭合快。

   第二种方法是在上下两路互补的PWM控制信号中增加“死区”，使直流母线正侧功率管闭合与负侧功率管断开之间有一定的延时，这样就可以避免同时导通，实践证明第二种方法简单方便。

   图3是加入死区后的控制信号和电流波形，控制信号QDI与Qm,在上升沿与下降沿之间都注入了一定的“死区”时间TO，这样同一桥臂的上下功率管是在一个完全关闭以后另一个才会导通，同一桥臂的上下功率管电流没有相交的地方，从而不会出现壹通现象，可见死区控翩为避免功率逆变器的直通提供了有效的控制方式。

    “死区”可以采用硬件RC延迟电路来产生，如图4所示。输入的方波信号IN通过两个反相器与RC延迟电路以后，输出的方波信号OUT的上升沿和下降沿相对信号IN都会有一定的延迟，延迟时间可由电阻和电容的值来决定(T= RC)，一般固定电容改变电阻比较容易调试。但是，该方法延迟时间不易修改，而且很难得到准确的延时，因此，该方法在实际应用中有诸多不便。

     针对传统RC延迟电路的缺点，本文涉及出即保留了硬件电路的快速性和可靠性，又克服了其参数不容易发生缺点的延时方法，即利用可编程器件（CPLD），通过软件编程产生“死区”。CPLD是陈列型高密度PLD器件，其内部其内部程序易于修改，“死区”设置准确.

    图5为基于CPLD的“死区”实现原理框图，将PWM信号发生电路产生的一定占空比的PWM波()送人CPLD，经过处理生成拥有死区时间的两路信号QD1、QD2，通过驱动电路，控制上、下桥臂功率管、他的通断，由于控制信号、都注入了死区时间，从而避免了同一桥臂上下功率管的直通，实现了死区保护。

    CPLD内部死区的实现原理图如图6所示。PWM波通过逻辑处理生成一路与PWM波信号(Q)严格互补的信号QD，由于CPLD外部采用高精度有源晶振（30MHz)，通过分频作为死区计数器的时钟信号，再根据上位机计算机(或DSP)或者CPLD内部设定的死区时间控制字(CNT)，在CPLD内部分别对Q和QD注入死区时间，变成两路驱动信号QD1和QD2，这样只要改变死区时间控制字即可控制死区大小。

   

  死区时间的注入是按照图7所示的方式来实现的，Q、QD是经过逻辑处理后严格互补的PWM波，根据上位机（或DSP）传输的死区时间控制字CNT，对两个信号进行上升沿处理，使得其上升沿分别延时Tl、T2后再输出，下降沿不做任何处理，延时时间Tl、T2可以由控制字CNT决定或者内部设定固定延时，这样同一桥臂上下功率管的控制信号上升沿和下降沿分别就有Tl、r2的死区时间，由于开通时间ton和关断时间toff不同，一般情况下死区时间取较大的值，且取r1 =r2=r。通过注入死区后，QD1的脉宽等于9的脉宽减去死区时间，即bl -7；QD2的脉宽等于QD的脉宽减去死区时间。工程应用中，死区一般留有0 5倍的裕量。

   

    由于本系统相对比较复杂，采用全方位硬件描述语言( VHDL)在Quatrusll软件平台上进行仿真，该语言采用类似****语言的语句格式，完成对硬件行为的描述，具备更强的模块化能力，拥有更好的可读性和移植性，非常有利于工程设计和开发。图8为基于上述原理的Quatrusll仿真波形：

    在图8中，clk为外部高精度有源晶振的时钟信号，rst为复位信号（低有效），PPWMK为PWM波，ZGA、ZGB为注入死区后的PWM波，死区时间为9ns，仿真波形和理沦分析吻合，验证了该方法的可行性。图9和图10分别为3.2和1.3死区时间试验波形。

  本文在分析PMSM的伺服控制系统逆变器直通产生的原因及其硬件解决方法的基础上，提出了一种基于CPLD的“死区”产生耘方法，“死区”大小可通过上位计算机（或DSP）在线调节，仿真和试验验证表明，该方法实现简单有效，死区时间可控，准确、无温漂，具有工程实际意义。