CN101820231B - 用于变频器的电流过零检测及死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，旨在提供一种用于变频器的电流过零检测及死区补偿方法。包括步骤：(1)将上、下桥臂的驱动信号Wx、

相“或”，作为D触发器的时钟信号，将变频器输出电压Ux隔离变换得到高低电平Sx并作为D触发器的输入信号，获得输出信号Qx；(2)根据Qx判断死区时间内输出电流的极性；(3)在每个开关周期Ts内，判断Qx是否翻转：(4)依据在每个开关周期Ts内的Qx的翻转次数Nf，来确定在该开关周期里输出电流的状态。在变频器等逆变电源中，使用本方法，能极大地避免由于电流极性检测不准、电流往复过零阶段死区补偿不准造成的电流畸变、转矩脉动，极大地改善输出电流的波形使其更加接近正弦波，从而大大提高输出转矩。

Description

用于变频器的电流过零检测及死区补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于变频器的电流过零检测及死区补偿方法。

背景技术

变频器等逆变电源的主电路是由开关器件所组成的桥式电路。桥式电路中一般采用脉宽调制的方法进行控制，即上、下桥臂的器件轮流开通，以实现对输出电压、电流的控制。由于器件存在延时，且开通延时和关断延时不同，因此为了避免上、下桥臂的器件同时导通而使得器件损坏，在各种采用脉宽调制方法的变频电源中，均设有死区时间，即将驱动信号的上升沿向后延迟一定时间。在死区时间内，上、下桥臂的两个开关管都处于关断状态，输出电流的极性决定各器件的反并二极管是否进入续流状态，而输出电压完全取决于输出电流的极性，即输出电压不可控的。死区时间的存在造成了输出电压与指令电压之间存在误差，使得输出电流产生畸变。如果该电源的负载为电机，则会产生脉动转矩，尤其在低速运行时，输出转矩的带载能力大大降低，甚至出现带不动负载的情况。

在现有的变频器中，一般都有对系统进行死区补偿。一种补偿方法为检测死区时间内的电流，依据输出电流的极性来确定死区补偿的方向。在该方法中，电流检测基本上是通过霍尔元件采样，采样过程中不可避免地掺进了干扰信号，从而影响补偿效果，甚至是恶化效果，尤其是在电流往复过零阶段；另外，霍尔元件的使用大大提高了该变频器的成本。另一种死区补偿方法是检测死区时间内的输出电压。该方法通过增加硬件来检测死区时间内的输出相电压，再与指令电压相比较，其差值作为死区补偿的依据。该方法中，输出相电压较难精确获得，而且需依靠复杂的硬件电路，并且该方法占用大量的CPU，而且延时情况较严重。还有一种死区补偿方法为检测IGBT的CE两端的压降。该方法通过增加硬件，获得死区时间内IGBT的CE两端的压降，从而判断该IGBT的反并二极管是否在死区时间内导通，从而确定死区补偿的方向。该方法中，通过增加硬件检测CE电压，而且用到的硬件都是快速器件，这将大大提高制造成本。

由于变频器等逆变电源基本上都是用于电机控制，而电机系统的惯性非常大，因此，输出电流在过零阶段往往会出现多次往复过零的现象，而且在相邻的电机转动周期内，输出电流过零次数相差较少。于是可以统计往复过零阶段里的电流过零周期数作为下一个周期的电流过零周期数的参考，从而对系统进行更好的死区补偿。

IGBT的开通延时，远大于D触发器信号锁存的延时，于是，以驱动信号相“或”作为D触发器的时钟信号，在时钟信号的上升沿处，可以锁存死区时间结束时的输出电压情况从而判断输出死区时间结束时电流的极性、开关周期内电流是否发生翻转及其翻转次数。通常情况下，IGBT的开通延时为几百ns，D触发器的延时为几十ns。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种用于变频器的电流过零检测，及相应的死区补偿方法。

为解决技术问题，本发明提出的电流过零检测方法以及相应的死区补偿方法，具体步骤为：

(1)将上、下桥臂的驱动信号Wx、

相“或”，作为D触发器的时钟信号，即作为输出电压采样的时钟信号；将变频器输出电压Ux隔离变换得到高低电平Sx，将Sx作为D触发器的输入信号，获得D触发器的输出信号Qx；

(2)根据Qx判断死区时间内输出电流的极性：Qx为逻辑高电平时，即代表下桥臂续流二极管导通，输出电流为正；Qx为逻辑低电平时，即代表由上桥臂续流二极管导通，输出电流为负；

(3)在每个开关周期Ts内，判断Qx是否翻转：若Qx有发生翻转，表示在该开关周期里，输出电流有过零；若Qx没有发生反转，表示在该开关周期里，输出电流没有过零；

(4)依据在每个开关周期Ts内的Qx的翻转次数Nf，来确定在该开关周期里输出电流的状态：(a)Nf＝0，表示电流没有过零；(b)Nf＝1，表示电流确实过零，且该电流往复过零阶段在本开关周期内结束；(c)Nf＞1，表示电流处于往复过零阶段，下一开关周期电流继续过零。

作为一种改进，本发明还包括：根据步骤(4)所述翻转次数Nf的三种情况与输出电流的正、负极性的逻辑组合，由外围逻辑电路向控制器发送6种输出信号；这6种输出信号与Nf＝1、Nf＞1情况下连续翻转开关周期次数N，共同构成输出电流过零检测判断信号。

作为一种改进，所述的输出电流过零检测判断信号包括以下情况：当输出电流极性为负，且Nf＝0，发送信号000，表示电流持续为负；当过零前输出电流极性为负(M＝0)，且Nf＞1，发送信号001，表示输出电流极性处于由负变为正的往复过零阶段；当过零前输出电流极性为负，且Nf＝1，发送信号010，表示输出电流结束过零，极性变正；当输出电流极性为正，且Nf＝0，发送信号111，表示电流持续为正；当过零前输出电流极性为正(M＝1)，且Nf＞1，发送信号110，表示输出电流极性处于由正变为负的往复过零阶段；当过零前输出电流极性为正，且Nf＝1，发送信号101，表示输出电流结束过零，极性变负。

作为一种改进，另外统计电路处于往复过零阶段时的过零周期数N，作为下一电机转动周期电流过零阶段补偿的参考：在输出电流极性由负变为正的往复过零阶段，外围逻辑电路向控制器发送信号001，过零结束时发送010，统计001以及010的次数，记为N₁；输出电流极性由正变为负的往复过零阶段，外围逻辑电路向控制器发送信号110，过零结束时发送101，统计110以及101的次数，记为N₂。

本发明进一步提供了一种基于前述电流过零检测方法的死区补偿方法，输出电流未过零时，若电流极性为正，则在下一个开关周期增加一个补偿量+K；若电流极性为负，则在下一个开关周期增加一个补偿量-K；所述K为一个根据变频器系统特性确定的常系数。

本发明中，当第一次检测到输出电流有过零时，则判定输出电流处于往复过零阶段，并在上一电机转动周期往复过零阶段的连续次数N的参考下，对本次往复过零阶段进行死区补偿，包括：

在输出电流极性由负变为正的往复过零阶段中，第n个开关周期的补偿量为：-K(N₁-2n)/N₁，当检测到往复过零阶段结束时，则本次往复过零阶段的死区补偿结束，并将此时的n记为N₁，作下一电机转动周期往复过零阶段补偿计算用；

在输出电流极性由正变为负的往复过零阶段中，第n个开关周期的补偿量为：+K(N₂-2n)/N₂，当检测到往复过零阶段结束时，则本次往复过零阶段的死区补偿结束，并将此时的n记为N₂，作下一电机转动周期往复过零阶段补偿计算用；

所述n≥0，所述K为一个根据变频器系统特性确定的常系数。

在本发明中，常系数K是一个根据变频器系统特性确定的常系数。常系数K的确定需综合考量死区时间以及器件的开通延迟时间、关断延迟时间、导通压降和反向续流压降，对此，本领域技术人员可以其熟悉的方式定义一个K的数值。根据死区对于输出电压所造成的实际影响，K值选取应综合考虑死区时间t_dead以及器件的开通延迟时间t_{d_on}、关断延迟时间t_{d_off}、以及器件的平均导通压降和反向续流压降所产生的等效误差时间t_avon。因此K的表达式可以表述为(t_dead+t_{d_on}-t_{d_off}+t_avon)。对于本领域技术人员而言，常系数K的确定是很常用的一种技术手段，因此本发明不再就此赘述。

本发明的有益效果在于：

本发明克服了直接检测电流的死区补偿法的弊端，并采用简单的硬件判断出在死区时间内输出电流极性的正负，以及检查出在一个开关周期内电流是否过零以及过零次数，另外统计了每次电流往复过零阶段的过零周期数N以作为下一周期的参考。该方法能够在电流往复过零阶段更加精确地对电路进行死区补偿，从而减小转矩脉动，提高系统性能，尤其是低速运行时的性能。在变频器等逆变电源中，使用本方法，能极大地避免由于电流极性检测不准、电流往复过零阶段死区补偿不准造成的电流畸变、转矩脉动，极大地改善输出电流的波形使其更加接近正弦波，从而大大提高输出转矩，尤其是低速运行时的输出转矩。

附图说明

图1是本发明提出的电流过零检测及死区补偿方法的系统框图。

图2是CPLD内通过Qx来判断电流处于何种状态的流程图。

图3是本发明中输出电流极性为负且电流处于上升阶段时的时序图。

图4是本发明中输出电流极性从负变为正时的时序图。

图5是本发明中输出电流极性从负变为正的过程即将结束时的时序图。

图6是本发明中输出电流极性为正且电流处于上升阶段的时序图。

具体实施方式

为了更加清楚地理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳适用例子进行详细说明。但是，下文所揭示的内容为本发明的原理，并不局限于仅此一例。

如图1所示，该系统由硬件主电路、外围逻辑电路(如CPLD)、控制系统组成。其中，硬件主电路为用于电机控制的变频器，为了防止上、下桥臂同时导通，在驱动信号内必须加入一定的死区时间，在该死区时间内，上、下桥臂的IBGT均关断，输出电流ix的极性决定由哪个二极管续流：当ix为正时，由下桥臂二极管续流，输出电压二极管为BUS-；相反的，当ix为负时，由上桥臂二极管续流，输出电压Ux为BUS+。电压隔离采样为光耦隔离，当Ux为BUS+时，输出信号Sx为低，当Ux为BUS-时，输出信号Sx为高。在CPLD中完成D触发器功能，将控制系统输出的驱动信号Wx、

相“或”作为D触发器的时钟信号，在每个上升沿时，将Sx信号锁存从Qx输出，通过Qx判断死区时间的电流极性、判断开关周期内输出电流极性是否发生翻转及翻转次数，从而判断电路处于何种状态，根据不同状态向控制系统发送不同的状态信号Qabc_x，控制系统根据不同的状态信号Qabc_x选择不同的补偿量。

在CPLD内，判断电路处于何种状态的流程图如图2所示。在每个开关周期判断Qx的情况，从而判断电路所处的状态，然后向控制系统发送状态信号，使得控制系统选取不同的补偿量。当输出电流极性为负且电流未过零时，Qx保持为0，状态信号为000；当输出电流极性由负向正变化时，Qx发生翻转且翻转次数为2次，状态信号为001；当输出电流极性由负向正变化结束时，Qx翻转次数为1次，状态信号为010；当输出电流极性为正且电流未过零时，Qx保持为1，状态信号为111；当输出电流极性由正向负变化时，Qx发生翻转且翻转次数为2次，状态信号为110；当输出电流极性由正向负变化结束时，Qx翻转次数为1次，状态信号为101。

死区补偿方法：控制系统根据从CPLD接受到的状态信号来选取死区补偿量。当输出电流未过零时，死区补偿方法为：当电流极性为正时，则在下一个开关周期增加一个补偿量+K，若电流极性为负，则在下一个开关周期增加一个补偿量-K。当输出电流处于往复过零阶段时，在上一工频周期的过零开关周期次数N的参考下，对本次往复过零阶段进行死区补偿：在输出电流极性由正变为负的往复过零阶段中，第n(n≥0)个开关周期的补偿量为+K(N₂-2n)/N₂；在输出电流极性由负变为正的往复过零阶段中，第n(n≥0)个开关周期的补偿量为：-K(N₁-2n)/N₁。

其中K为一个根据变频器系统特性确定的常系数。根据死区对于输出电压所造成的实际影响，K值选取应综合考虑死区时间t_dead以及器件的开通延迟时间t_{d_on}、关断延迟时间t_{d_off}、以及器件的平均导通压降和反向续流压降所产生的等效误差时间t_avon。因此K的表达式为(t_dead+t_{d_on}-t_{d_off}+t_avon)。

图3、图4、图5、图6为输出电流ix极性从负向正变化时的时序图。其中，t_delay为IBGT的开通延时和关断延时以及电路中其他延时的总延时，t_dead为死区时间，Ts为系统的开关周期，Uref_x为反馈电压，将反馈电压同三角波进行比铰得到理想的驱动信号dx、dx。添加死区时间t_dead，得到实际的驱动信号Wx、

将Wx、

相“或”作为D触发器的时钟信号，在每个上升沿(即死区时间结束)时，将电压信号Sx锁存输出到Qx上，。于是当输出电流极性为负且未过零，则Qx保持为0；当输出电流极性为正时且未过零，Qx保持为1；当输出电流极性有变化时，每个开关周期内Qx都会发生翻转，翻转2次表示输出电流往复过零阶段还未结束，翻转1次表示输出电流往复过零阶段在该开关周期内结束。这正好符合上述过零点判断方法以及死区补偿方法。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于变频器的电流过零检测方法，包括下述步骤：

(1)将上、下桥臂的驱动信号Wx、 

相“或”，作为D触发器的时钟信号，即作为输出电压采样的时钟信号；将变频器输出电压Ux隔离变换得到高低电平Sx，将Sx作为D触发器的输入信号，获得D触发器的输出信号Qx；

(2)根据Qx判断死区时间内输出电流的极性：Qx为逻辑高电平时，即代表下桥臂续流二极管导通，输出电流为正；Qx为逻辑低电平时，即代表由上桥臂续流二极管导通，输出电流为负；

(3)在每个开关周期Ts内，判断Qx是否翻转：若Qx有发生翻转，表示在该开关周期里，输出电流有过零；若Qx没有发生反转，表示在该开关周期里，输出电流没有过零；

(4)依据在每个开关周期Ts内的Qx的翻转次数Nf，来确定在该开关周期里输出电流的状态：(a)Nf＝0，表示电流没有过零；(b)Nf＝1，表示电流确实过零，且该电流往复过零阶段在本开关周期内结束；(c)Nf＞1，表示电流处于往复过零阶段，下一开关周期电流继续过零。

2.根据权利要求1所述的电流过零检测方法，其特征在于，还包括：根据步骤(4)所述翻转次数Nf的三种情况与输出电流的正、负极性的逻辑组合，由外围逻辑电路向控制器发送6种输出信号；这6种输出信号与Nf＝1、Nf＞1情况下连续翻转开关周期次数N，共同构成输出电流过零检测判断信号。

3.根据权利要求2所述的电流过零检测方法，其特征在于，所述的输出电流过零检测判断信号包括以下情况：当输出电流极性为负，且Nf＝0，发送信号000，表示电流持续为负；当过零前输出电流极性为负，且Nf＞1，发送信号001，表示输出电流极性处于由负变为正的往复过零阶段；当过零前输出电流极性为负，且Nf＝1，发送信号010，表示输出电流结束过零，极性变正；当输出电流极性为正，且Nf＝0，发送信号111，表示电流持续为正；当过零前输出电流极性为正，且Nf＞1，发送信号110，表示输出电流极性处于由正变为负的往复过零阶段；当过零前输出电流极性为正，且Nf＝1，发送信号101，表示输出电流结束过零，极性变负。

4.根据权利要求2所述的电流过零检测方法，其特征在于，另外统计电路处于往复过零阶段时的过零周期数N，作为下一电机转动周期电流过零阶段补偿的参考：在输出电流极性由负变为正的往复过零阶段，外围逻辑电路向控制器发送信号001，过零结束时发送010，统计001以及010的次数，记为N₁；输出电流极性由正变为负的往复过零阶段，外围逻辑电路向控制器发送信号110，过零结束时发送101，统计110以及101的次数，记为N₂。

5.一种基于权利要求1所述电流过零检测方法的死区补偿方法，输出电流未过零时，若电流极性为正，则在下一个开关周期增加一个补偿量+K；若电流极性为负，则在下一个开关周期增加一个补偿量-K；所述K为一个根据变频器系统特性确定的常系数。 

Images