CN101964597B

CN101964597B - 基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法

Info

Publication number: CN101964597B
Application number: CN2010102683423A
Authority: CN
Inventors: 邹积浩; 叶林华
Original assignee: Teco Group Science and Technology Hangzhou Co Ltd
Current assignee: Teco Group Science and Technology Hangzhou Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN101964597A

Abstract

本发明为了解决现有技术中采用空间矢量脉宽调制输出时，死区补偿方法较复杂的问题，提供一种可有效避免输出电压畸变，并且算法简单、通用性强的基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法。该补偿方法，通过判断逆变器每个桥臂开关器件电流流向的方式，将死区作用等效为基本空间矢量的作用效果，通过增加或者减少调制矢量所在扇区非零基本空间矢量作用时间的方式，抵消死区作用效果，有效地实现了对空间矢量脉宽调制输出死区进行补偿，可大大提升低速控制的效果。

Description

基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法

技术领域

本发明涉及交流伺服技术领域，更具体地说，涉及一种基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法。

背景技术

交流伺服系统作为现代工业生产的主要驱动源之一，是现代工业生产的基础技术。交流伺服系统这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统等。

在现代全数字交流伺服系统中，一般通过PWM(脉宽调制)技术驱动电压源型逆变器实现对永磁同步电机进行控制。逆变器中，为了避免开关器件功率模块非理想特性导致的一个桥臂上下两功率管直通现象，工程应用中必须加入死区时间。在死区时间内，由于上下两功率管都没有触发信号，输出电压完全取决于输出电流的极性，因此输出电压是不可控的，其直接结果是将导致输出电压畸变。

为了避免输出电压畸变，现有技术中提出了很多关于死区补偿的方法，例如，采用反馈电流滞环判断电流方向，修正开关器件开通时刻以实现死区补偿，该方法不需要附加电路，但由于采用反馈电流滞环判断电流过零点，补偿精度较低，并将导致输出波形滞后；基于实时检测开关器件导通时间的死区补偿和电压检测方法，该方法可实时精确地检测死区时间，有利于提高电机系统性能，但附加电路成本较高。

对于空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出死区补偿的方法，现有技术中往往采用与其他脉宽调制输出相同的补偿方法，这些方法算法复杂，效果一般，且通用性不强。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中采用空间矢量脉宽调制输出时，死区补偿方法较复杂的问题，提供一种可有效避免输出电压畸变，并且算法简单、通用性强的基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

判断永磁同步电机三相电流的方向；

根据三相电流的方向和调制矢量所处扇区，判断死区时间逆变器每个桥臂开关器件的电流流向，将死区等效为与其开关器件电流流向相同的调制矢量所处扇区基本空间矢量的作用效果，并对该死区产生的作用效果进行补偿。

本发明中，计算两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角，根据永磁同步电机转子电角度与dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角获取dq坐标系下合成电流矢量的角度，再根据dq坐标系下合成电流矢量的角度滞后永磁同步电机某一相电流角度π/2，获取该相电流角度，进而获取永磁同步电机三相电流角度，再根据三相电流角度获取永磁同步电机三相电流的方向。

本发明中，对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，根据一个PWM周期内多个死区产生的整体作用效果对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异进行补偿。

对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，采用增加或者减少调制矢量所在扇区至少一个非零基本空间矢量作用时间的方式，对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异进行补偿。

根据三相电流方向和调制矢量所处扇区，对至少一个非零基本空间矢量的作用时间增加2倍死区时长或者减少2倍死区时长。

本发明通过判断逆变器每个桥臂开关器件电流流向的方式，将死区作用等效为基本空间矢量的作用效果，通过增加或者减少调制矢量所在扇区非零基本空间矢量作用时间的方式，抵消死区作用效果，有效地实现了对空间矢量脉宽调制输出死区进行补偿，可大大提升低速控制的效果。

附图说明

图1为永磁同步电机控制的相量图

图2为永磁同步电机相电流角度、dq坐标系下合成电流矢量角度、转子电角度三者之间的关系示意图

图3为调制矢量处于扇区一时一个PWM周期内开关器件状态示意图

图4-1至图4-13为三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＜0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

图5-1至图5-13为三相电流Iu＞0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

图6-1至图6-13为三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

图7-1至图7-13为三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＞0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

图8-1至图8-13为三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

图9-1至图9-13为三相电流Iu＜0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态1至状态13开关器件的电流流向示意图

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，在交流伺服系统中，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)输出时，死区补偿方法较复杂的问题，提供一种可有效避免输出电压畸变，并且算法简单、通用性强的基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法。

本发明基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的电压补偿方法，在进行补偿之前，首先需要确定的是永磁同步电机三相电流的方向，这是进行补偿的基础，在三相电流方向未知的情况下，是无法进行补偿操作的。

常规方法是利用电流传感器直接检测三相电流值，进而判断电流方向，但由于相电流存在振荡、PWM的开关噪声和零电流钳位现象，直接检测电流值来判断三相电流方向的效果是很差的，本发明中将采用间接方法进行检测。

参见图1，根据三相静止坐标系到两相同步旋转dq坐标系的变换规则，两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量Is的角度与永磁同步三相电流是存在对应关系的，合成电流矢量Is的角度是滞后三相中某相电流角度π/2的，当然通常是以滞后a相电流角度π/2进行定义的。如图1中所示，合成电流矢量Is的角度滞后a相电流Iu0为π/2，而永磁同步电机三相电流相互差π2/3，因此得知三相中任意一相的电流角度就可以得到其他两相的电流角度，得到三相电流角度后，即可方便的判断三相电流的方向。如下表所示：

	Iu	Iv	Iw	θ_c
					1	＞0	＜0	＜0	[-π/6 π/6)
2	＞0	＞0	＜0	[π/6 π/2)
					3	＞0	＜0	＞0	[3π/2 11π/6)
4	＜0	＞0	＞0	[5π/6 7π/6)
					5	＜0	＞0	＜0	[π/2 5π/6)
6	＜0	＜0	＞0	[7π/6 3π/2)

表中Iu、Iv、Iw分别表示u、v、w三相电流，θ_c表示u相电流的角度(v、w相根据u相即可知)，电流大于0表示电流流向电机，电流小于0表示电流流出电机。

因此，如何得知合成电流矢量Is的角度，进而得到电机三相电流角度是解决问题的关键。在电机控制中，转子的电角度θ_e是一个需要实时采集的量，通过转子的电角度θ_e对其他量进行采集和处理，将无需增加其他硬件设施，会带来极大的便利，但由于转子的电角度θ_e是空间角度，需要进行转换才能进行利用。

参见图1、图2，将dq坐标系下d轴线电流Id＝0时，转子的电角度θ_e的角度定义为滞后合成电流矢量Is为π/2，当Id＞0时，转子的电角度θ_e滞后合成电流矢量Is将小于π/2，当Id＜0时，转子的电角度θ_e滞后合成电流矢量Is将大于π/2(小于π，图2中仅示意了Id＞0的情形，Id＜0的情形可以类似获得)，Id不等于0时的需要修正的角度θ差恰好为合成电流矢量Is与q轴的夹角。

那么，用转子的电角度θ_e对合成电流矢量Is进行表示，合成电流矢量Is的角度

再根据前述合成电流矢量Is的角度滞后u相电流角度π/2，电机u的电流角度

根据转子的电角度θ_e即可方便地获取永磁同步电机三相电流地角度，进而获取三相电流地方向。

由于空间矢量脉宽是分成六个扇区进行的，当调制矢量处于不同的扇区时，三相电流方向相同的情况下，死区等效为该扇区基本空间矢量作用时是有一定差别的，但基本原理是相同的。以下将以调制矢量处于扇区一时，不同三相电流方向情况下，死区应当如何等效补偿进行说明：

参见图3，当调制矢量处于扇区一时，通过开关器件的状态我们可以知道，图中开关器件状态2、4、6、8、10、12为死区，本发明要解决的问题是如何将死区等效为该扇区(此处即扇区一)的基本空间矢量的作用效果，并考虑等效后该死区产生的作用效果对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的产生什么样的影响，根据补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异进行补偿，以及较优的补偿方式。

根据空间矢量脉宽调制的基本原理，无论三相电流方向如何，开关器件状态1和状态13为基本空间矢量V0作用时间，状态3和状态11时为基本空间矢量V1作用时间，状态5和状态9时为基本空间矢量V2作用时间，状态7时为基本空间矢量V7作用时间。在三相电流方向确定的情况下，非死区不同基本空间矢量作用时，或者说不同的开关器件状态时(空间矢量脉宽调制，开关器件的状态与基本空间矢量作用是一一对应的关系，二者是完全等效的)，逆变器每个桥臂开关器件的电流流向是不相同的，由于逆变器每个桥臂开关器件的电流流向实际是由开关器件状态决定的，所以逆变器每个桥臂开关器件的电流流向与基本空间矢量作用也是存在一一对应关系的。

因此，从分析逆变器每个桥臂开关器件的电流流向的角度出发，实际上无论什么状态下，当逆变器每个桥臂开关器件的电流流向与某一基本空间矢量作用时，开关器件的电流流向相同，该状态持续时间内的作用效果就可以等效为该基本空间矢量的作用效果。本发明将对死区时，逆变器每个桥臂开关器件的电流流向进行判断，与非死区基本空间矢量的作用时逆变器每个桥臂开关器件的电流流向进行比较，得到不同的死区应当等效为哪一基本空间矢量的作用效果，再考虑如何对实际输出的调制矢量进行补偿。

但由于调制矢量处于扇区一时，三相电流的方向具有6种不同的情况，非死区相同的基本空间矢量作用时，逆变器每个桥臂开关器件中的电流流向是不相同的，因此必须针对不同的三相电流情况进行处理。

参见图4-1至4-13，当三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＜0时，开关器件状态2的死区，u相上、下桥臂功率管均关断，v相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，w相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，那么，u相电流流经u相下桥臂续流二极管后流入电机，v相电流流出电机后流经v相下桥臂功率管，w相电流流出电机后流经w相下桥臂功率管。通过分析可知，上述死区时间开关器件的电流流向与开关器件状态1时，即基本空间矢量V0作用时开关器件的电流流向相同，那么该死区将等效为基本空间矢量V0的作用效果。由于基本空间矢量V0是零矢量，因此该死区不会对实际输出的调制矢量产生影响，无需对该死区等效的作用效果进行补偿，或者说对该死区作用效果进行零补偿。

开关器件状态4的死区，u相上桥臂功率管导通，下桥臂功率管关断，v相上、下桥臂功率管均关断，w相上桥臂功率管关断，下桥臂功率管导通，那么，u相电流流经u相上桥臂功率管后流入电机，v相电流流出电机后流经v相上桥臂续流二极管，w相电流流出电机后流经w相下桥臂功率管。通过分析可知，上述死区时间开关器件的电流流向与开关器件状态5时，即基本空间矢量V2作用时开关器件的电流流向相同，那么该死区将等效为基本空间矢量V2的作用效果。那么该死区会使得基本空间矢量V2的作用时间延长一个死区时长，仅针对该死区的作用效果进行补偿，应当让基本空间矢量V2的作用时间减少一个死区时长。

对单个死区的作用效果进行等效即考虑补偿将使得补偿过程变得比较繁琐，较好的方式是对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，分析一个PWM周期内多个死区产生的整体作用效果对补偿前实际输出的调制矢量相对理想输出的调制矢量的差异，再考虑进行补偿。

当然，首先需要处理的是判断每个死区应当等效为哪一基本空间矢量的作用效果，前文已经对开关器件状态2和状态4的死区的如何进行等效进行了详细的分析，本领域的技术人员根据前述的分析，结合本领域的基本常识，在不花费创造性劳动的情况下，完全可以对不同三相电流方向情况下的各种死区进行分析，并对死区的作用效果如何等效进行判断，后文将不再进行累述，分析过程中将直接得出死区等效结果。

那么，开关器件状态6和状态8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果，开关器件状态10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果，开关器件状态12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果。

这样，一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长(基本空间矢量V0和V7为零矢量，无需考虑)。

根据死区效应的定义，在不进行死区补偿时，也不考虑死区本身等效的作用效果，由于死区的存在，一个PWM周期中，对于未补偿实际输出的调制矢量，基本空间矢量V1的实际作用时间为(T1-2*td)，基本空间矢量V2的实际作用时间为(T2-2*td)，其中T1、T2为基本空间矢量V1和V2理想的作用时间，td为死区时间。

由于死区本身的等效作用效果相当于将基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间，已经自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需对基本空间矢量V1的作用时间进行补偿，在三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＜0的情况下，只需将基本空间矢量V1的作用时间增加2倍死区时长即可。

参见图5-1至5-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＞0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果，开关器件状态4和10的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了2倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需将基本空间矢量V2的作用时间增加2倍死区时长即可。

参见图6-1至6-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＞0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V0的作用效果，开关器件状态4、6、8和10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V2的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，那么在考虑死区补偿时，需要将基本空间矢量V1的作用时间增加2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间减少2倍死区时长。

参见图7-1至7-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＞0时，开关器件状态2、4、10和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了4倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间增加了2倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，那么在考虑死区补偿时，只需将基本空间矢量V1的作用时间减少2倍死区时长即可。

参见图8-1至8-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＞0、Iw＜0时，开关器件状态2、4、10和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态6和8的死区，将等效为基本空间矢量V7的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，那么在考虑死区补偿时，需要将基本空间矢量V1的作用时间减少2倍死区时长，将基本空间矢量V2的作用时间增加2倍死区时长。

参见图9-1至9-13，根据和前文相似的原理，当三相电流Iu＜0、Iv＜0、Iw＞0时，开关器件状态2和12的死区，将等效为基本空间矢量V1的作用效果，开关器件状态4、6、8和10的死区，将等效为基本空间矢量V2的作用效果。一个PWM周期中，将死区等效的作用效果进行累加，相当于基本空间矢量V1的作用时间增加了2倍死区时长，基本空间矢量V2的作用时间增加了4倍死区时长，那么死区等效的作用效果将基本空间矢量V1的作用时间自动补偿到了和理想的作用时间相等，将基本空间矢量V2的作用时间自动补偿到大于理想的作用时间2倍死区时长，只需将基本空间矢量V2的作用时间减少2倍死区时长即可。

通过上述分析可知，对一个PWM周期内多个死区产生的作用效果进行累加后，是采用对至少一个非零基本空间矢量(扇区一即基本空间矢量V1和V2)的作用时间增加2倍死区时长或者减少2倍死区时长来实现死区补偿的目的的，至于对一个还是两个基本空间矢量进行增加或者减少而达到死区补偿的目的，由三相电流的方向和调制矢量所处扇区决定。本发明的实施例中对扇区一的情况进行了详细说明，当调制矢量处于其他扇区的情形，根据本发明实施例公开的内容，本领域技术人员结合本领域的公知常识，在不花费创造性劳动的情况下已经知晓，本发明已经进行了充分的公开。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.基于矢量作用等效的空间矢量脉宽调制输出的死区补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

计算两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角，根据永磁同步电机转子电角度与dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角获取dq坐标系下合成电流矢量的角度，再根据dq坐标系下合成电流矢量的角度滞后永磁同步电机某一相电流角度π/2，获取该相电流角度，进而获取永磁同步电机三相电流角度，再根据三相电流角度获取永磁同步电机三相电流的方向；

根据三相电流的方向和调制矢量所处扇区，对至少一个非零基本空间矢量的作用时间增加2倍死区时长或者减少2倍死区时长。