【电机矢量控制算法】基于线性死区补偿的永磁同步电机矢量控制算法仿真

原创于 2025-08-24 20:44:14 发布 · 292 阅读

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🔥 内容介绍

一、技术背景与永磁同步电机矢量控制核心挑战

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）凭借高功率密度、高效率、宽调速范围的优势，已成为新能源汽车驱动、工业伺服系统、家电变频（如空调压缩机）的核心执行器。矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）通过 “坐标变换将三相电流解耦为 dq 轴电流”，实现转矩与磁链的独立控制，是 PMSM 高性能控制的主流技术。然而，逆变器死区效应（Dead-Time Effect）导致的控制误差，成为制约 PMSM 性能的关键瓶颈：

死区效应的产生与危害：

产生原因：逆变器功率开关管（IGBT/MOSFET）存在导通延迟（1-5μs）与关断延迟（2-8μs），为避免同一桥臂上下管直通短路，需在开关信号中插入 “死区时间”（通常 5-20μs）；同时，开关管导通时的管压降（IGBT 约 1.5-2V）进一步加剧电压输出偏差；

核心危害：死区时间与管压降导致实际输出电压矢量与指令电压矢量偏差，在电流过零区域（电流极性切换时）偏差尤为显著，引发：

电流畸变：三相电流出现谐波（主要是 5 次、7 次谐波），总谐波畸变率（THD）从理想的 2% 升至 15% 以上；

转矩脉动：转矩波动幅度超 10%，导致电机运行噪音增大（如伺服系统噪音从 60dB 升至 85dB）、定位精度下降（从 0.01mm 降至 0.05mm）；

低速性能恶化：低速（＜100rpm）时，死区误差占指令电压比例升高，电机易出现 “爬行” 或 “抖动”，无法稳定运行。

传统补偿方法的局限：

固定补偿：仅根据死区时间计算固定补偿电压，未考虑管压降与电流幅值的相关性，补偿精度低（电流 THD 仍＞8%）；

非线性补偿：基于查表法或分段函数补偿，需大量实验数据拟合，适配性差（负载变化时补偿失效），且计算复杂（实时性不足，适配开关频率＜10kHz）；

线性死区补偿的优势：通过 “电流极性检测 - 电压误差线性建模 - 实时补偿电压叠加”，仅需整定 2-3 个线性系数，即可覆盖全电流范围与负载变化，具备 “实现简单、实时性强、补偿精度高” 的工程优势，适配开关频率达 20kHz 以上。

二、核心理论基础：PMSM 矢量控制与死区效应建模

（一）PMSM 矢量控制基础（id=0 控制策略）

1. 坐标系与数学建模

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

% 死区补偿函数function[U_d_comp, U_q_comp] = dead_zone_compensation(i_d, i_q, k_comp) U_d_comp = U_d + k_comp * i_d; U_q_comp = U_q + k_comp * i_q;end% 仿真循环for t = 1:sim_time % 计算补偿电压 [U_d, U_q] = dead_zone_compensation(i_d, i_q, k_comp);