用PIR调节器进行死区补偿的实验展示
1.前言
死区补偿不是一件容易的事，死区与“插入的死区时间，驱动电阻，功率器件，开关频率，母线电压，相电流等都有关系”。
我个人是做过谐波抑制的，这也涉及到抑制死区产生的谐波电流。下面我来说说我个人的看法。
先贴张图。
我个人认为死区补偿确实很难，我貌似没有看到过哪篇论文采用死区补偿的办法实现完全的正弦电流，基本都是用谐波抑制的方法才可以完全抑制死区产生的谐波电流，使得电流保持正弦。
2.死区会产生几次谐波？
死区主要产生相电流的5、7、11、13、17、19次谐波等等。最主要的是5、7、11、13次，其对应于dq电流中的6次、12次谐波电流。
参考如下（其实相关推导在很多谐波抑制补偿的论文中都有涉及）：
3.死区抑制效果
既然我现在知道死区主要产生相电流的5、7、11、13次谐波（dq电流中的6次、12次谐波电流），那我现在应该选择哪种方法来进行抑制呢？
我只推荐PIR（比例积分谐振）控制。PIR调节器采用预插值双线变化的相位补偿PIR，参考下面这篇知乎。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/699288152
https://zhuanlan.zhihu.com/p/699288152
至于我为什么不用别的方法，我下文再说。这里直接看谐波抑制效果。
对于dq电流的6次谐波，需要在原有的PI调节器上面，加上一个谐振（R）调节器。d轴一个，q轴一个，所以一共需要加两个。
实验条件：直流母线电压120V，开关频率8kHz，电感3mH，电阻1.1欧姆，极对数4。为了尽可能看清楚谐波电流，我这里只采用小电流进行实验，而且把死区时间设定为4us，这已经是一个非常大的死区了。
此时的电流波形如下。下文的图片我就不细标数据了，只看效果。从这个波形可以看到，此时谐波电流非常大，电流畸变非常明显。
2.1 dq六次谐波电流抑制
下面我开始加入谐振控制器，首先加入六次谐振控制器，抑制dq电流的六次谐波、相电流的5、7次谐波。可以看到，加入谐振控制器之后，dq电流的大部分脉动都被消除了，相电流正弦度大幅提高。这里也表明，死区造成的电压畸变主要为dq的6次谐波电压。（这个转速我没记错的话是800RPM）
2.2 dq十二次谐波电流抑制
从上面的波形来看，好像没有看到十二次谐波呢？是因为我上面转速比较高，12次谐波电流表现不明显，在低速会比较明显。
为什么低速的12次会比较明显呢？因为低速时，电机阻抗小。电阻阻抗由电感和电阻构成，感抗的大小与转速有关。
下面这是200RPM下的电流波形。左边是六次谐波抑制前，右边是六次谐波抑制后。可以看到，此时半个基波周期的d轴电流里面有六个小周期脉动，说明d轴电流有比较明显的12次谐波。
这里再解释一下为什么d轴电流有比较明显的12次谐波，而q轴电流里面没有。
参考：
从这个式子可以看到，死区产生的电压扰动在d轴上分量更大，所以d轴电流会畸变的更明显。
下面是加入12次谐振控制器前后的对比图。可以看到，加入12次谐振控制器后，d轴电流的12次谐波也消失，相电流正弦度以及很高了。
我这个电流幅值只有1.5A，考虑到系统还有一定的采样噪声，这个效果已经非常好了。
2.3正常工况下的抑制效果
上面跑的死区为4us，而且相电流比较小，只有1.5A。我下面跑个死区时间2us，转速600RPM，相电流2A的波形。可以看到，这个电流正弦度是非常高的。
这里再补偿一个知识点，由于我采用的是等幅值变换且采用id=0控制，所以我的q轴电流（绿线）的幅值与三相电流幅值完全相等。
这里导入simulink进行FFT分析。可以看到相电流THD由抑制前的7.43%降低至2.36%，5、7、11、13次相电流谐波占比均在0.7%以下，可以认为谐波电流得到了无静差抑制。死区产生的影响被消除。
4.为什么不采用其他谐波抑制方法？
我也跟其他人讨论了为什么不用谐波抑制的方法去抑制死区，他们给的回复意思大致是，在低速段谐波提取不准确，抑制效果不好；同时在高速下，谐波容易进入低载波比阶段，容易使得谐波抑制方法失控。
我看了一下，这些说法，其实说的都是多同步旋转坐标系谐波抑制方法的缺点，并不是PIR的缺点。
如果要抑制相电流的五七次谐波电流，多同步旋转坐标系谐波抑制方法需要增加4个低通滤波器，以及4个PI调节器，这个数目是非常多的。而且，由于低通滤波器（LPF）的存在，会导致系统容易失控，而且PI参数不好调节。
在低速时，以基波频率1Hz为例子，此时如果用LPF来进行多同步旋转坐标系谐波抑制方法的滤波，那LPF的截止频率必须设计的非常低，这导致谐波提取很久，而且不准。但是PIR没有这个问题。
关于低速的抑制效果展示（转速15RPM，基波频率1Hz）：
可以看到，在低速时，PIR同样能很好的抑制谐波。但是这里注意，q轴电流（绿色）的脉动比较大。这是因为低速的转速波动大，这导致转速环PI输出波动大，进而使得q轴电流波动大（这一点下文会解释）。
关于高速时的低载波比问题。在高速的时候，由于电机阻抗大，所以12次谐波电流基本没有，这里我们只考虑dq电流的6次谐波。采用相位补偿PIR调节器，我试过谐波载波比6情况下不会失去稳定（控制频率/基波的六倍频）。
谐波载波比6.5情况下的PIR调节器实验：
可以看到，AB两相电流还是很正弦的。
以10kHz控制频率为例子，如果需要达到谐波载波比（控制频率/基波的六倍频）为6，那么基波频率应该277.78Hz。这个基波频率已经足够满足大部分需求了。
5.PIR调节器的其他功能——谐波电流注入
我在一个评论看到有人说他们做死区补偿，同时还做了多同步旋转坐标系的谐波注入。。。这不是多此一举吗？用PIR既可以抑制谐波电流，可以控制交流。
抑制谐波电流就相当于让PIR去跟踪一个幅值为0的交流；控制交流那就是让PIR去跟踪一个幅值不为0的交流，也就是谐波电流注入。谐波电流注入可以用于转矩脉动抑制。
相关仿真可以先看我下面这篇知乎。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/689410195
电机在低转速运行时，由于各种转矩脉动的影响（比如永磁谐波反电势、齿槽转矩等等），电机转速波动会很大。
如下图所示，这是参考转速为15RPM的实验波形。绿色为实际转速，在加入PIR调节器之前，转速波动大概为5RPM。iq参考值是一个直流加交流的形式，由于电流环采用PI，所以实际iq跟不上参考iq。
右边就是加入PIR的情况，可以看到，d轴的谐波电流被抑制，，转速波动虽然还有，但是已经大幅减小了。iq的实际值能够跟上参考值。
因为iq参考值就是非直流，所以相电流会有谐波，这也解释了为什么上面15RPM的相电流波形和q电流波形为什么会有脉动。
在这种工况下PIR对d轴电流起到抑制谐波的作用，对q轴电流起到谐波注入的作用。此时谐波注入的作用是抑制转矩脉动，减小转速波动。
6.结语
我个人认为PIR谐波抑制是一种比较简单有效的方法，把代码写好之后，带宽wc设置个2，增益设置300，我在四台电机上运行过了，100%不失稳，代码扔上去就可以跑。PIR本质上就是一个交流积分器（在谐振频率处具有极大的增益，这个和传统积分器在0Hz处具有极大增益是一个道理），由于具有积分性质，所以就不需要耗费太多精力去调参。
而且呢，如果电机里面不只是有死区产生的谐波，还有谐波反电势产生的谐波，此时PIR能够同时控制好这两部分谐波。没有必要进行死区补偿再额外加谐波抑制的操作。
PIR已经能够满足大部分场合。
如果电机情况特殊，再考虑其他方法。
原文地址：https://blog.csdn.net/m0_46903653/article/details/143017721
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