CN102739093B - 逆变器死区补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器死区补偿系统，包括三相锁相环、第一旋转变换单元、低通滤波单元、反向变换单元；其中所述三相锁相环，用于对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω及旋转角θ；所述第一旋转变换单元，用于按照所述旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波单元，用于对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波；反向变换单元，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行反向变换，所述反向变换后的电流直接用于死区补偿中电流过零点判断。本发明还提供了一种对应的方法。本发明直接通过采样电流获得电流角频率，从而在任何时候都可以准确地跟踪三相电流的角频率，使电流的过零判断在任何时候都准确。

Description

逆变器死区补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及逆变器控制领域，更具体地说，涉及一种逆变器死区补偿系统及方法。

背景技术

电压脉宽调制类型的变频器广泛应用于各种电机控制场合，为了防止逆变器同一桥臂的上下两个功率器件直通毁坏逆变器，需要人为地在控制信号中加入死区时间(在死区时间内，两个功率器件均截止)，以保证同一桥臂的上下两个功率器件总是先关后通。此外，逆变器工作时，开关时间存在延迟，并且关断时间通常延迟更长，这些都导致了实际得到的电压值与理论值之间存在差异，该效应也可称为死区。

死区的存在将对电压、电流和转矩等各方面都产生影响，在低频时这种现象尤其明显，因为相同载波下，低频时一个周期内开关次数更多，并且低频时输出电压较低，死区效应比重越大。最直接地，它降低了系统的输出电压能力，乃至出现相移。

为了克服死区的影响，需要补偿死区造成的电压损失。相对于相电流大于零和小于零的情况，需要对相应相电压做不同的补偿。如何确定相电流的过零点是进行死区补偿的一个关键，它决定了死区补偿的成败。目前，主要通过以下方式确定相电流过零点：将相电流转换为D-Q坐标系下的直流量，此时再低通滤波，不用考虑局部延迟问题，以便克服检测电流的噪声影响。但该方法需要进行旋转变换，而旋转变换需要一个旋转角度θ，如何确定旋转角度θ是一个难点。

旋转角度θ通常采用电压的角频率ω乘以时间t得到，但是在许多动态的场合，电流的角频率和电压的角频率并不完全相等，此时若采用电压的角频率ω乘以t得到的角度分解电流会与实际的情况不一致，由此会造成死区补偿错误，影响电压输出，严重的会造成电机震荡无法运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述死区补偿中旋转角度无法准确确定的问题，提供一种逆变器死区补偿系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种逆变器死区补偿系统，包括三相锁相环、第一旋转变换单元、低通滤波单元、反向变换单元；其中所述三相锁相环，用于对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω及旋转角θ；所述第一旋转变换单元，用于按照所述旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波单元，用于对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波；反向变换单元，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行反向变换，所述反向变换后的电流直接用于死区补偿中电流过零点判断；

所述第一旋转变换单元通过计算式 $\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=i\left[\begin{array}{c}cos(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\\ sin(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\end{array}\right]$ 获得D轴和Q轴电流分量，其中i_d为D轴电流分量，i_d为Q轴电流分量；

所述三相锁相环包括3/2变换单元、第二旋转变换单元、PI调节器及积分处理单元，其中所述3/2变换单元用于对输入到电机的三相电流进行3/2变换；所述第二旋转单元用于对3/2变换后的电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述PI调节器用于将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，所述锁相误差为0与Q轴电流分量之差；所述积分处理单元用于通过对电流角频率ω进行积分运算获得旋转角θ。

在本发明所述的逆变器死区补偿系统中，所述PI调节器的传递函数为：

k_p(1+T_is)/sT_i，

所述三相锁相环的闭环传递函数为：

$\mathrm{\φ}\left(s\right)=\frac{k_p(1+T_{i}s)/T_i}{s^2+k_{p}s+k_p/T_i}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，所述PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出，所述三相锁相环通过上述闭环传递函数运算获得电流角度θ输出。

在本发明所述的逆变器死区补偿系统中，所述第一旋转变换单元与第二旋转变换单元共用一个物理电路。

在本发明所述的逆变器死区补偿系统中，所述反向变换单元包括旋转反变换单元及2/3变换单元，其中所述旋转反变换单元用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换，所述2/3变换单元用于对旋转反变换的电流进行2/3变换。

本发明还提供一种逆变器死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤(a)，通过三相锁相环对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω，并根据所述电流角频率ω获得旋转角θ；

步骤(b)，按照所述旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；该步骤中通过计算式 $\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=i\left[\begin{array}{c}cos(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\\ sin(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\end{array}\right]$ 获得D轴和Q轴电流分量，其中i_d为D轴电流分量，i_d为Q轴电流分量；

步骤(c)，对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波和反向变换，并根据反向变换后的电流进行死区补偿；

所述步骤(a)包括：

(a1)将输入到电机的三相电流进行3/2变换以及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；

(a2)将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，所述锁相误差为0与Q轴电流分量之差。

在本发明所述的逆变器死区补偿方法中，所述PI调节器的传递函数为：

k_p(1+T_is)/sT_i，

所述三相锁相环的闭环传递函数为：

$\mathrm{\φ}\left(s\right)=\frac{k_p(1+T_{i}s)/T_i}{s^2+k_{p}s+k_p/T_i}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，所述PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出，所述三相锁相环通过上述闭环传递函数运算获得电流角度θ输出。

在本发明所述的逆变器死区补偿方法中，所述步骤(b)中通过对电流角频率ω进行积分运算获得旋转角θ。

在本发明所述的逆变器死区补偿方法中，所述步骤(c)中的反向变换包括对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换以及2/3变换，其中旋转反变换的旋转角与步骤(b)中获得的旋转角θ相同。

本发明的逆变器死区补偿系统及方法，直接通过采样电流获得电流角频率，从而在任何时候都可以准确地跟踪三相电流的角频率，使电流的过零判断在任何时候都准确，避免了死区补偿在电流电压处于动态的时候失败。

附图说明

图1是本发明逆变器死区补偿系统实施例的示意图。

图2是图1中锁相环的示意图。

图3是本发明逆变器死区补偿系统的原理示意图。

图4是αβ与dq坐标系下的矢量关系图。

图5是图3中锁相环的等效结构图。

图6是本发明逆变器死区补偿方法实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明逆变器死区补偿系统第一实施例的示意图。该系统包括三相锁相环11、第一旋转变换单元12、低通滤波单元13、反向变换单元14，其中三相锁相环11连接采样电流(即输入到电机的三相电流)，且与第一旋转变换单元12、低通滤波单元13、反向变换单元14依次连接。

三相锁相环11用于对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω及旋转角θ。第一旋转变换单元12用于按照三相锁相环11获得的旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量。低通滤波单元13用于对第一旋转单元12输出的D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波。反向变换单元14用于对低通滤波单元13处理后的D轴和Q轴电流分量进行反向变换，经反向变换后的电流可直接用于死区补偿中电流过零点判断。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，图1中的三相锁相环11包括3/2变换单元111、第二旋转变换单元112、PI调节器113及积分处理单元114，其中3/2变换单元111用于对输入到电机的三相电流进行3/2变换。第二旋转单元112用于对3/2变换后的电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量。PI调节器113用于将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，其中锁相误差为0与Q轴电流分量之差。积分处理单元114用于通过对电流角频率ω进行积分运算获得旋转角θ。

在实际应用中，上述第二旋转变换单元112可与第一旋转变换单元12使用同一个物理电路，其具有相同的输入以及不同的输出。

此外，上述反向变换单元包括旋转反变换单元及2/3变换单元，其中旋转反变换单元用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换，所述2/3变换单元用于对旋转反变换的电流进行2/3变换。

如图3所示，是本发明逆变器死区补偿系统的原理图。该系统从变频器输出端、或电机输入端获取的采样电流i_a,i_b,i_c经过三相锁相环后，得到一个准确的电流角频率ω，然后用该ω积分后得到θ，按照该θ对电流进行D-Q变换，并滤波后，再转为静止坐标系下的用来进行死区补偿。

其中锁相环原理如下：设三相采样电流i_a,i_b,i_c为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(t\right)\\ i_b\left(t\right)\\ i_c\left(t\right)\end{array}\right]=i\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\ω}t\right)\\ \cos (\mathrm{\ω}t-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos (\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(1\right)$

经过CLARK变换(即3/2变换)后为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{c}1,-\frac{1}{2},-\frac{1}{2}\\ 0,\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\left(t\right)\\ i_b\left(t\right)\\ i_c\left(t\right)\end{array}\right]=i\left[\begin{array}{c}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)\\ sin\left(\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

将式(2)从α,β坐标变换到同步旋转坐标(即旋转变换)为

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\θ},sin\mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ},cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=i\left[\begin{array}{c}cos(\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\\ \sin (\mathrm{\ω}t-\mathrm{\θ})\end{array}\right]---\left(3\right)$

其分解矢量图如图4所示。

由公式(3)可知，其q轴分量与锁相误差角同符号，当锁相未进行的时候，d轴和q轴分量为交流分量，在锁相成功后，即(ωt-θ)≈0的时候，i_d＝i,i_q＝0。因此通过适当的控制手段，实现d,q坐标系与电压矢量同步达到锁相目的。

将锁相误差输入PI调节器，从而得到电流的角度频率ω，再经过积分后得到角度θ。在误差较小的时候由于sinθ＝θ,所以锁相环的等效结构框图如图5所示。

PI调节器的传递函数为：k_p(1+T_is)/sT_i，根据锁相环的等效图可得其锁相环系统的开环传递函数为：k_p(1+T_is)/s²T_i，由此可得三相锁相环的闭环传递函数φ(s)为：

$\mathrm{\φ}\left(s\right)=\frac{k_p(1+T_{i}s)/T}{s^2+k_{p}s+k_p/T_i}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中，k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出，ω_n为前馈频率，在实际应用中可忽略。三相锁相环通过上述闭环传递函数运算获得电流角度θ输出。

根据上述闭环传递函数可知，该系统是一个稳定系统，即可把，i_q误差控制到0，也就是系统输出的θ与实际的θ必然一致(若不一致，i_q会出现交流分量)，而θ的前一个变量必然是ω，因为只有ω经过1/S之后才是θ)。

在获得电流角频率ω之后，再通过积分得到旋转角θ，该θ被用作电流旋转变换的角度。

上述的PI调节器中通过积分运算获得电流角频率ω的过程以及根据电流角频率ω通过积分计算旋转角θ的过程属于现有技术，并不是本发明的创新点。

其中的D轴和Q轴电流分量i_d,i_q通过低通滤波后，再通过旋转反变换(同样使用旋转角θ)及2/3变换，即可用于死区补偿的过零判断。

如图6所示，是本发明还逆变器死区补偿方法实施例的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S61，通过三相锁相环对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω，并将电流角频率ω做积分处理获得旋转角θ(例如通过积分处理)。该步骤可具体通过以下方式实现：将输入到电机的三相电流进行3/2变换以及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，锁相误差为0与Q轴电流分量之差。

上述PI调节器的传递函数为：k_p(1+T_is)/sT_i，

三相锁相环的闭环传递函数为： $\mathrm{\φ}\left(s\right)=\frac{k_p(1+T_{i}s)/T_i}{s^2+k_{p}s+k_p/T_i}=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出。锁相环系统通过上述传递函数运算获得电流角度θ输出。

步骤S62，按照旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量。

步骤S63，对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波和反向变换，并根据反向变换后的电流进行死区补偿。该步骤中的反向变换包括对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换以及2/3变换，其中旋转反变换的旋转角与步骤S62中获得的旋转角θ相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种逆变器死区补偿系统，其特征在于：包括三相锁相环、第一旋转变换单元、低通滤波单元、反向变换单元；其中所述三相锁相环，用于对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω及旋转角θ；所述第一旋转变换单元，用于按照所述旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波单元，用于对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波；反向变换单元，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行反向变换，所述反向变换后的电流直接用于死区补偿中电流过零点判断；

所述第一旋转变换单元通过计算式获得D轴和Q轴电流分量，其中i_d为D轴电流分量，i_d为Q轴电流分量；

所述三相锁相环包括3/2变换单元、第二旋转变换单元、PI调节器及积分处理单元，其中所述3/2变换单元用于对输入到电机的三相电流进行3/2变换；所述第二旋转单元用于对3/2变换后的电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述PI调节器用于将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，所述锁相误差为0与Q轴电流分量之差；所述积分处理单元用于通过对电流角频率ω进行积分运算获得旋转角θ。

2.根据权利要求1所述的逆变器死区补偿系统，其特征在于：所述PI调节器的传递函数为：

k_p(1+T_is)/sT_i，

所述三相锁相环的闭环传递函数为：

其中k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，所述PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出，所述三相锁相环通过上述闭环传递函数运算获得电流角度θ输出。

3.根据权利要求1所述的逆变器死区补偿系统，其特征在于：所述第一旋转变换单元与第二旋转变换单元共用一个物理电路。

4.根据权利要求1所述的逆变器死区补偿系统，其特征在于：所述反向变换单元包括旋转反变换单元及2/3变换单元，其中所述旋转反变换单元用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换，所述2/3变换单元用于对旋转反变换的电流进行2/3变换。

5.一种逆变器死区补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(a)，通过三相锁相环对输入到电机的三相电流进行处理获得电流角频率ω，并根据所述电流角频率ω获得旋转角θ；

步骤(b)，按照所述旋转角θ对电流进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；该步骤中通过计算式获得D轴和Q轴电流分量，其中i_d为D轴电流分量，i_d为Q轴电流分量；

步骤(c)，对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波和反向变换，并根据反向变换后的电流进行死区补偿

所述步骤(a)包括：

(a1)将输入到电机的三相电流进行3/2变换以及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；

(a2)将锁相误差输入PI调节器获得电流角频率ω，所述锁相误差为0与Q轴电流分量之差。

6.根据权利要求5所述的逆变器死区补偿方法，其特征在于：所述PI调节器的传递函数为：

k_p(1+T_is)/sT_i，

所述三相锁相环的闭环传递函数为：

其中k_p为PI调节器比例系数，T_i为PI调节器积分系数，s为时间变量经过拉普拉斯变换后得到的复数变量，所述PI调节器通过上述传递函数运算获得电流角频率ω输出，所述三相锁相环通过上述闭环传递函数运算获得电流角度θ输出。

7.根据权利要求5-6中任一项所述的逆变器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(a)中通过对电流角频率ω进行积分运算获得旋转角θ。

8.根据权利要求5所述的逆变器死区补偿方法，其特征在于：所述步骤(c)中的反向变换包括对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换以及2/3变换，其中旋转反变换的旋转角与步骤(b)中获得的旋转角θ相同。