CN103138671A - 一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法及系统，其方法包括步骤：一、信号实时采集及同步上传；二、逆变器死区效应在线补偿：对于任一个电流采样周期而言，其分析处理过程如下：采集信号接收及同步存储、分析处理时间判断、逆变器死区效应扰动电压在线观测和逆变器死区效应补偿；其系统包括数据处理器、电流检测单元、信号采集电路一、旋转角度检测单元、信号采集电路二以及分别与数据处理器相接的数据存储单元和参数输入单元。本发明设计合理、补偿方法步骤简单、实现方便且投入成本较低、补偿效果好，能有效解决现有PMSM逆变器死区效应补偿方法存在的投入成本较大、补偿方法步骤较复杂、补偿效果较差等问题。

Description

一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法及系统

技术领域

本发明属于PMSM逆变器死区效应补偿技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法及系统。

背景技术

在基于电压空间矢量（SVPWM，即电压空间矢量脉冲调制技术）控制的PMSM调速系统中，逆变器（具体指三相逆变桥）的同一桥臂上两个开关管必须交替导通以满足工作要求，但由于逆变器的非线性特性会引起同一桥臂的两只开关管瞬间发生直通现象。因此，为了防止逆变器桥臂发生直通短路现象，在同一桥臂的上下两只开关管控制信号之间必须插入一个固定的开关延迟时间，然而延迟时间将加剧逆变器的非线性特征，使输出电压产生畸变，影响PMSM调速系统的性能。其中，PMSM为英文名称permanent magnet synchronous motor的简称，是指根据电机的反电动势进行区分定义的电机：正弦反电势的永磁同步电机。

为了克服死区效应，需要对死区引起的电压畸变进行补偿。目前，很多学者及工程技术人员对死区补偿做了大量的研究工作，并提出许多有效的补偿方法，主要分为以下三类：

第一、基于电流极性的补偿方法：该死区效应补偿方法需要检测电流的极性，但由于死区期间永磁同步电机的反电动势和死区时间易造成电机相电流的过零箝位，因而很难准确地检测出瞬间电流极。因此，该补偿方法虽然简单，但难以达到永磁同步电机调速系统控制要求的补偿效果。

第二、基于特定负载的离线实验进行死区效应补偿：该死区效应补偿方法必须基于负载的已知运行参数进行补偿，因而该补偿方法需要大量的离线实验确定电流的相角及补偿的电压，该方法虽适合特定负载情况，但不利于实际调速系统的应用要求。

第三、利用观测器在线补偿死区效应：如在已知负载信息的情况下，依赖高分辨率的位置传感器设计观测器实现死区效应补偿，但该死区效应补偿方法不适应于负载多变的情况且算法复杂；或者仅针对死区效应引起的谐波分量（主要是5、7次谐波）设计的观测器只能消除特定的谐波，但该方法只能部分消除由死区引起的谐波。

第四、基于硬件电路进行死区效应补偿：该补偿方法需设计辅助的硬件电路对死区效应进行补偿，因而大幅度增加了系统成本。

综上，现有的PMSM逆变器死区效应补偿方法，均不同程度地存在投入成本较大、补偿方法步骤较复杂、补偿效果较差等多种缺陷和不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种方法步骤简单、实现方便、能实现逆变器死区效应在线补偿且补偿效果好、实用价值高的永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、信号实时采集及同步上传：由逆变器进行驱动的被控制永磁同步电机运行过程中，通过电流检测单元对被控制永磁同步电机的ABC三相电流分别进行实时检测，并通过信号采集电路一且按照预先设定的电流采样频率f₁对电流检测单元实时所检测信号同步进行采集，且将每一个电流采集周期内所检测的三相电流信号同步上传至数据处理器；同时，通过旋转角度检测单元对被控制永磁同步电机的转子旋转电角度进行实时检测，并通过信号采集电路二且按照预先设定的旋转角度采样频率f₂对旋转角度检测单元实时所检测信号同步进行采集，且将每一个旋转角度采集周期内所检测的转子旋转电角度同步上传至数据处理器；

其中，

T_pwm为通过参数输入单元预先输入的电压空间矢量控制周期；

步骤二、逆变器死区效应在线补偿：采用数据处理器且按照预先设定的分析处理频率f₃，由先至后对接收到的各电流采样周期内所采集的三相电流信号分别进行分析处理，并根据分析处理结果当前时刻逆变器的死区效应进行在线补偿；其中，对各电流采集周期内所采集三相电流信号的分析处理方法均相同，且对于任一个电流采样周期而言，其分析处理过程如下：

步骤201、采集信号接收及同步存储：数据处理器将此时所接收到的当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，同步存储至数据存储单元内；式中，k为电流采样次数且k=1、2、3、…；

步骤202、分析处理时间判断：数据处理器按照预先设定的分析处理频率f₃，分析判断此时是否需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理：当需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理时，数据处理器将此时所接收到的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度θ_rj同步存储至数据存储单元内，并进入步骤203；否则，转入步骤205；

其中，

其中A为正整数；j为旋转角度采样次数且j=1、2、3、…；

步骤203、逆变器死区效应扰动电压在线观测：所述数据处理器调用死区效应扰动电压观测模块，对当前时刻逆变器的死区效应扰动电压在线观测，且其在线观测过程如下：

步骤2031、坐标变换：将当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号

和

，并同步存储至所述数据存储单元内；

步骤2032、当前电流采样周期内的电流变化量计算：根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{dk}}^e=i_{\mathrm{dk}}^e-i_{d(k-1)}^e\\ \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{qk}}^e=i_{\mathrm{qk}}^e-i_{(k-1)}^e\end{array}\right.---\left(1\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内的电流变化量

式(1)中

和

为步骤2031中所获得的两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号；

和

为将数据存储单元内存储的上一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k-1）、i_b（k-1）和i_c（k-1），先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下的两相电流信号；

其中，当k=1时，

步骤2033、当前电流采样周期内定子侧感应电动势变化量计算：结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2032中计算得出的

和

并根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_d^e=V_d^{e^{*}}-R_s{i}_d^e-L_d\frac{{\mathrm{\Δi}}_d^e}{T_i}\\ \mathrm{\Δ}{V}_q^e=V_q^{e^{*}}-R_s{i}_q^e-L_q\frac{\mathrm{\Δ}{i}_q^e}{T_i}\end{array}\right.---\left(2\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内被控制永磁同步电机的定子侧感应电动势变化量

和式(2)中R_s为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的定子电阻，

和

分别为当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量，L_d和L_q分别为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的直轴主电感和交轴主电感，T_i为信号采集电路一的采样周期且

所述参数输入单元与数据处理器相接；

步骤2034、当前时刻逆变器死区效应扰动电压计算：将公式(2)代入公式 $\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{L}_d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{dk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}-\mathrm{\Δ}{V}_q^e\\ L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{qk}}^e+\mathrm{\Δ}{V}_d^e\end{array}\right]---\left(3\right)$ ，并结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2033中计算得出的

和计算得出当前时刻逆变器的死区效应扰动电压

和

式(3)中，ψ_f为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_rj为当前时刻被控制永磁同步电机的转子旋转角速度且

其中θ_r(j-1)为数据存储单元内存储的上一个旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度；其中，当j=1时，θ_r(j-1)=0；

步骤204、逆变器死区效应补偿：数据处理器（4）将公式(3)代入公式： $\left[\begin{array}{c}{V}_d^{e^{*}}\\ V_q^{e^{*}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+L_{d}p& -L_d{\mathrm{\ω}}_j\\ L_q{\mathrm{\ω}}_j& R_s+L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dk}}^e\\ i_{\mathrm{qk}}^e\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_j\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]---\left(4\right),$ 计算得出当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量

和

之后，数据处理器调用SVPWM控制模块且按照预先设定的空间矢量调制周期T，对计算得出的

和

进行空间矢量脉宽调制处理，并相应得出当前时刻对逆变器进行控制的PWM信号；其中，T=T_pwm；

式(4)中，p为微分算子，R_s为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的定子电阻，L_d和L_q分别为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的直轴主电感和交轴主电感，ψ_f为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_j为当前时刻被控制永磁同步电机的转子电角速度且ω_j=n_p×ω_rj，其中ω_rj为步骤2034中推算出的当前时刻被控制永磁同步电机的转子旋转角速度，np为通过参数输入单元预先输入的被控制永磁同步电机的极对数；

步骤205、返回步骤201，对下一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k+1）、i_b（k+1）和i_c（k+1）进行分析处理。

上述一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征是：步骤一中所述的被控制永磁同步电机为表面式永磁同步电机，且步骤2033、步骤2034和步骤204中的L_d=L_q。

上述一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征是：步骤202中A=100～1500。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征是：步骤一中所述逆变器的三个电源输出端通过ABC三相电缆与被控制永磁同步电机的三个电源输入端相接，且所述电流检测单元包括两个分别对ABC三相电缆中任意两相电缆的相电流进行实时检测的电流采样电阻。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征是：步骤204中调用SVPWM控制模块对计算得出的和

进行分析处理之前，所述数据处理器还需调用低压滤波器模块对计算得出的

和进行滤波处理。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征是：步骤204中所述数据处理器调用SVPWM控制模块对计算得出的

和

进行分析处理时，先调用坐标变换模块将计算得出的和

先经Park逆变换再经Clark逆变换后，获得三相静止坐标系下当前时刻被控制永磁同步电机的定子参考电压在a、b和c轴上的电压分量

和

之后，再调用PWM发生模块对所获得的电压分量

和

进行空间矢量脉宽调制处理，并获得当前时刻对逆变器进行控制的PWM信号。

同时，本发明还公开了一种电路设计合理、接线方便、使用操作简便且投入成本较低、智能化程度高、使用效果好的永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征在于：包括数据处理器、对被控制永磁同步电机的ABC三相电流分别进行实时检测的电流检测单元、与电流检测单元相接的信号采集电路一、对被控制永磁同步电机的转子旋转电角度进行实时检测的旋转角度检测单元、与旋转角度检测单元相接的信号采集电路二以及分别与数据处理器相接的数据存储单元和参数输入单元，所述信号采集电路一和信号采集电路二均与数据处理器相接，所述逆变器包括三相桥式逆变电路和对三相桥式逆变电路相接的功率开关驱动电路，所述数据处理器与功率开关驱动电路相接；所述三相桥式逆变电路的三个电源输出端通过ABC三相电缆分别与被控制永磁同步电机的三个电源输入端相接。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征是：所述数据处理器为DSP处理器或ARM处理器。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征是：所述DSP处理器为芯片TMS320F28335。

上述永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征是：所述旋转角度检测单元为安装在被控制永磁同步电机的动力输出轴上的光电编码器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的死区效应补偿系统设计合理、电路简单、接线方便、使用操作简便且投入成本较低、智能化程度高、使用效果好。

2、所采用的死区效应补偿方法步骤简单、实现方便、能实现逆变器死区效应在线补偿且补偿效果好、实用价值高。

3、所采用的死区效应扰动电压观测模块不依赖于辅助电流及电机的相电流极性，电机运行过程中，能同步计算得出PMSM逆变器死区效应引起的电压扰动值，并根据计算得出的电压扰动值实时进行死区效应补偿，并且不需要确切的负载信息。主要利用永磁同步电机转子机械响应滞后于电磁响应的特性，在一个电流采样周期内，根据简化的电机电压模型建立电流变化量与死区扰动电压之间的关系（即公式(3)），实现在线对误差电压进行补偿。

4、死区效应补偿效果好，应用于永磁同步电机矢量控制系统后，能使得电流畸变大度减小，因而有很好的补偿效果。由于一个电流采样周期内在相电流过零时，采样电流的变化量突变。因而，先建立一个电流采样周期内的电流变化量

和

与死区效应扰动电压和

之间的关系，之后根据电流变化量

和

对死区效应扰动电压

和

进行估计，并根据估计得出的死区效应扰动电压

和

实时修改死区扰动电压补偿值，由于死区效应扰动电压

和

与相电流方向无关，也不需要确切的负载信息，因而所采用的死区效应扰动电压观测模块具有较强的鲁棒性。综上，本发明根据永磁同步电机电压矢量控制逆变器死区效应引起的扰动电压进行在线补偿，主要是电机的已知设计参数和实时采样得到的相电流变化率

和

实现死区扰动电压补偿，避免负载、母线电压和不确定变量对误差电压测量的干扰，提高永磁同步电机调速系统的适应性，本发明对死区时间和逆变器非线性引起的电压畸变能有效实施补偿，具有较强的实用价值。

综上所述，本发明设计合理、补偿方法步骤简单、实现方便且投入成本较低、补偿效果好，能有效解决现有PMSM逆变器死区效应补偿方法存在的投入成本较大、补偿方法步骤较复杂、补偿效果较差等缺陷和不足。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明对永磁同步电机逆变器死区效应进行补偿时的方法流程框图。

图2为本发明永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统的电路原理框图。

图3为采用本发明对逆变器死区效应进行补偿之前的三相畸变电流示意图。

图4为由逆变器死区效应引起的扰动电压矢量在两相静止坐标系上的电压分量示意图。

图5为采用本发明对逆变器死区效应进行补偿之前的a相电流FFT谐波分析示意图。

图6为采用本发明对逆变器死区效应进行补偿之后的a相电流FFT谐波分析示意图。

图7为采用本发明对逆变器死区效应进行补偿之后的三相电流示意图。

附图标记说明:

1—电流检测单元；      2—被控制永磁同步电机；

3-1—信号采集电路一；  3-2—信号采集电路二；4—数据处理器；

5—逆变器；        5-1—三相桥式逆变电路；

5-2—功率开关驱动电路；

6—旋转角度检测单元；  7—数据存储单元；8—参数输入单元；

9—整流电路；        10—控制信号接口电路；

具体实施方式

如图1所示的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、信号实时采集及同步上传：由逆变器5进行驱动的被控制永磁同步电机2运行过程中，通过电流检测单元1对被控制永磁同步电机2的ABC三相电流分别进行实时检测，并通过信号采集电路一3-1且按照预先设定的电流采样频率f₁对电流检测单元1实时所检测信号同步进行采集，且将每一个电流采集周期内所检测的三相电流信号同步上传至数据处理器4；同时，通过旋转角度检测单元6对被控制永磁同步电机2的转子旋转电角度进行实时检测，并通过信号采集电路二3-2且按照预先设定的旋转角度采样频率f₂对旋转角度检测单元6实时所检测信号同步进行采集，且将每一个旋转角度采集周期内所检测的转子旋转电角度同步上传至数据处理器4，所采用PMSM逆变器死区效应补偿系统的电路原理框图详见图2。本实施例中，被控制永磁同步电机2为PMSM。

其中，

T_pwm为通过参数输入单元8预先输入的电压空间矢量控制周期。实际进行采样时，所述电流检测单元1和旋转角度检测单元6同时启动进行采样。

本实施例中，T_pwm=0.0001s。实际使用时，可以根据具体需要，对T_pwm的取值进行相应调整。

步骤二、逆变器死区效应在线补偿：采用数据处理器4且按照预先设定的分析处理频率f₃，由先至后对接收到的各电流采样周期内所采集的三相电流信号分别进行分析处理，并根据分析处理结果当前时刻逆变器5的死区效应进行在线补偿；其中，对各电流采集周期内所采集三相电流信号的分析处理方法均相同，且对于任一个电流采样周期而言，其分析处理过程如下：

步骤201、采集信号接收及同步存储：数据处理器4将此时所接收到的当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，同步存储至数据存储单元7内；式中，k为电流采样次数且k=1、2、3、…。

步骤202、分析处理时间判断：数据处理器4按照预先设定的分析处理频率f₃，分析判断此时是否需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理：当需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理时，数据处理器4将此时所接收到的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度θ_rj同步存储至数据存储单元7内，并进入步骤203；否则，转入步骤205；

其中，

其中A为正整数；j为旋转角度采样次数且j=1、2、3、…。

实际操作时，A=100～1500。

本实施例中，A=1300。实际使用时，可以根据具体需要，对A的取值进行相应调整。

实际使用时，所述信号采集电路一3-1每完成A次电流采样，信号采集电路二3-2进行一次旋转角度采样，相应地，所述数据处理器4完成一次分析处理过程。

步骤203、逆变器死区效应扰动电压在线观测：所述数据处理器4调用死区效应扰动电压观测模块，对当前时刻逆变器5的死区效应扰动电压在线观测，且其在线观测过程如下：

步骤2031、坐标变换：将当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号

和

并同步存储至所述数据存储单元7内；

步骤2032、当前电流采样周期内的电流变化量计算：根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{dk}}^e=i_{\mathrm{dk}}^e-i_{d(k-1)}^e\\ \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{qk}}^e=i_{\mathrm{qk}}^e-i_{(k-1)}^e\end{array}\right.---\left(1\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内的电流变化量

和

式(1)中

和为步骤2031中所获得的两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号；

和

为将数据存储单元7内存储的上一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k-1）、i_b（k-1）和i_c（k-1），先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下的两相电流信号；

其中，当k=1时，

步骤2033、当前电流采样周期内定子侧感应电动势变化量计算：结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2032中计算得出的

和并根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_d^e=V_d^{e^{*}}-R_s{i}_d^e-L_d\frac{{\mathrm{\Δi}}_d^e}{T_i}\\ \mathrm{\Δ}{V}_q^e=V_q^{e^{*}}-R_s{i}_q^e-L_q\frac{\mathrm{\Δ}{i}_q^e}{T_i}\end{array}\right.---\left(2\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内被控制永磁同步电机2的定子侧感应电动势变化量

和

式(2)中R_s为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的定子电阻，

和

分别为当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机2的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量，L_d和L_q分别为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的直轴主电感和交轴主电感，T_i为信号采集电路一3-1的采样周期且

所述参数输入单元8与数据处理器4相接；

步骤2034、当前时刻逆变器死区效应扰动电压计算：将公式(2)代入公式： $\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{L}_d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{dk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}-\mathrm{\Δ}{V}_q^e\\ L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{qk}}^e+\mathrm{\Δ}{V}_d^e\end{array}\right]---\left(3\right)$ ，并结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2033中计算得出的

和

计算得出当前时刻逆变器5的死区效应扰动电压

和

式(3)中，ψ_f为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_rj为当前时刻被控制永磁同步电机2的转子旋转角速度且

其中θ_r(j-1)为数据存储单元7内存储的上一个旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度；其中，当j=1时，θ_r(j-1)=0。

由于预先设定的电流采样周期T_i远小于为电压空间矢量控制周期T_pwm，步骤2032计算得出的两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内的电流变化量

和

中，电流变化量的符号不代表具体某相电流的方向。因此，在两相同步旋转坐标系下，能利用电流变化量建立与死区效应扰动电压的关系，即公式(3)。另外，由于电流采样频率f₁比SVPWM波的载波频率高，且被控制永磁同步电机2的转子机械响应滞后于电磁响应，因而在一个电流采样周期内定子侧感应电动势的变化量可表示为公式(2)。根据公式(3)，当前时刻逆变器5的死区效应引起的扰动电压

和

与电流极性不直接相关，避免了电流箝位对死区效应扰动电压补偿的影响，并且公式(3)表明，当前时刻逆变器5的死区效应引起的扰动电压

和

仅与电流检测单元1所采样电流、转子旋转电角度θ_rj和电机设计参数有关，而与电流采样周期内转子旋转电角度的变化量无关。

步骤204、逆变器死区效应补偿：数据处理器4将公式(3)代入公式： $\left[\begin{array}{c}{V}_d^{e^{*}}\\ V_q^{e^{*}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+L_{d}p& -L_d{\mathrm{\ω}}_j\\ L_q{\mathrm{\ω}}_j& R_s+L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dk}}^e\\ i_{\mathrm{qk}}^e\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_j\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]---\left(4\right)$ ，计算得出当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机2的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量和

之后，数据处理器4调用SVPWM控制模块且按照预先设定的空间矢量调制周期T，对计算得出的

和

进行空间矢量脉宽调制处理，并相应得出当前时刻对逆变器5进行控制的PWM信号；其中，T=T_pwm；

式(4)中，p为微分算子，R_s为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的定子电阻，L_d和L_q分别为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的直轴主电感和交轴主电感，ψ_f为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_j为当前时刻被控制永磁同步电机2的转子电角速度且ω_j=n_p×ω_rj，其中ω_rj为步骤2034中推算出的当前时刻被控制永磁同步电机2的转子旋转角速度，n_p为通过参数输入单元8预先输入的被控制永磁同步电机2的极对数。

步骤205、返回步骤201，对下一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k+1）、i_b（k+1）和i_c（k+1）进行分析处理。

步骤204中的公式(4)为两相同步旋转坐标系下逆变器死区效应补偿后被控制永磁同步电机2的数学模型，公式(4)也可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d^{e^{*}}=R_s{i}_{\mathrm{dk}}^e+L_{d}p{i}_{\mathrm{dk}}^e-{\mathrm{\ω}}_j{L}_d{i}_{\mathrm{qk}}^e+\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s+\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}{V}_{q\_\mathrm{dis}}^s\\ V_q^{e^{*}}=R_s{i}_{\mathrm{qk}}^e+L_{d}p{i}_{\mathrm{qk}}^e+{\mathrm{\ω}}_j{L}_d{i}_{\mathrm{qk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_j-\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s+\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}{V}_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}---\left(5\right)\right.$ ，式(5)中

$p{i}_{\mathrm{dk}}^e=\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dk}}^e}{\mathrm{dt}},{\mathrm{pi}}_{\mathrm{qk}}^e=\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qk}}^e}{\mathrm{dt}}.$

公式(3)也可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s={\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}(L_d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{dk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}-\mathrm{\Δ}{V}_q^e)+{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}(L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{qk}}^e+\mathrm{\Δ}{V}_d^e)\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s=-{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\left((L_d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{dk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}-\mathrm{\Δ}{V}_q^e)\right)+{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}(L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{qk}}^e+\mathrm{\Δ}{V}_d^e)\end{array}\right..$

本实施例中，步骤一中所述的被控制永磁同步电机2为表面式永磁同步电机，且步骤2033、步骤2034和步骤204中的L_d=L_q。

实际使用时，所述被控制永磁同步电机2也可以为凸极式永磁同步电机。

本实施例中，步骤一中所述逆变器5的三个电源输出端通过ABC三相电缆与被控制永磁同步电机2的三个电源输入端相接，且所述电流检测单元1包括两个分别对ABC三相电缆中任意两相电缆的相电流进行实时检测的电流采样电阻，ABC三相电缆中任意两相电缆是指AB两相电缆、AC两相电缆或BC两相电缆。因而，实际布设安装非常简便，并且数据采集方便。

本实施例中，步骤204中调用SVPWM控制模块对计算得出的

和

进行分析处理之前，所述数据处理器4还需调用低压滤波器模块对计算得出的

和

进行滤波处理。

实际使用时，由于公式(4)中的数值微分项对电流噪声有放大作用，因而增加了死区效应补偿电压的计算误差。因此，通过所述低压滤波器模块降低噪声干扰。本实施例中，所述低压滤波器模块为一阶低通数字滤波器。

本实施例中，步骤204中所述数据处理器4调用SVPWM控制模块对计算得出的和

进行分析处理时，先调用坐标变换模块将计算得出的

和

先经Park逆变换再经Clark逆变换后，获得三相静止坐标系下当前时刻被控制永磁同步电机2的定子参考电压在a、b和c轴上的电压分量

和

之后，再调用PWM发生模块对所获得的电压分量和

进行空间矢量脉宽调制处理，并获得当前时刻对逆变器5进行控制的PWM信号。

实际使用时，按照采样时间先后顺序，所述数据存储单元7内存储有各电流采样周期内所采集的三相电流信号，并且所述数据存储单元7内存储有各旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度。

如图2所示的一种基于SVPWM的PMSM逆变器死区效应补偿系统，包括数据处理器4、对被控制永磁同步电机2的ABC三相电流分别进行实时检测的电流检测单元1、与电流检测单元1相接的信号采集电路一3-1、对被控制永磁同步电机2的转子旋转电角度进行实时检测的旋转角度检测单元6、与旋转角度检测单元6相接的信号采集电路二3-2以及分别与数据处理器4相接的数据存储单元7和参数输入单元8，所述信号采集电路一3-1和信号采集电路二3-2均与数据处理器4相接，所述逆变器5包括三相桥式逆变电路5-1和对三相桥式逆变电路5-1相接的功率开关驱动电路5-2，所述数据处理器4与功率开关驱动电路5-2相接。所述三相桥式逆变电路5-1的三个电源输出端通过ABC三相电缆分别与被控制永磁同步电机2的三个电源输入端相接。

实际使用时，所述数据处理器4为DSP处理器或ARM处理器，也可以采用其它类型的数据处理器。

本实施例中，所述DSP处理器为芯片TMS320F28335。

实际进行接线时，所述三相桥式逆变电路5-1与对交流电源进行整流的整流电路9相接。本实施例中，所述旋转角度检测单元6为安装在被控制永磁同步电机2的动力输出轴上的光电编码器，因而实际安装非常简便，并且数据采集方便。

本实施例中，数据处理器4与功率开关驱动电路5-2之间通过控制信号接口电路10进行连接。

本实施例中，所述三相桥式逆变电路5-1中所采用的功率开关元件为IGBT模块，并且所述功率开关驱动电路5-2为对IGBT模块进行驱动的IGBT驱动模块。

本实施例中，所述IGBT模块的开通时间T_on=1μs且其关断时间T_off=3.2μs，T_pwm=0.0001s。如图3所示，当未采用本发明所采用PMSM逆变器死区效应补偿法对逆变器死区效应进行补偿时，逆变器5的死区效应使输至被控制永磁同步电机2的相电流幅值和相位都发生畸变，电流过零处产生明显的箝位现象。如图4所示，由死区效应引起的扰动电压矢量在两相静止坐标系（即αβ坐标系）上的电压分量，由图4可以看出，扰动电压在相电流过零处产生突变，即ΔV_α和ΔV_β。因此，传统死区补偿方法的补偿效果受到电流方向检测精度的限制，很难实现精确补偿。如图5所示，通过本发明所采用PMSM逆变器死区效应补偿法对逆变器死区效应进行补偿之前，输至被控制永磁同步电机2的相电流中所含有的5、7次谐波是引起电流畸变的主要原因，其相对基波比超过1.8%，电流谐波总畸变率为3.72%。如图7所示，通过本发明所采用PMSM逆变器死区效应补偿法对逆变器死区效应进行补偿之后的三相电流中，电流过零箝位现象明显减弱，电流畸变得到有效抑制。而通过本发明所采用PMSM逆变器死区效应补偿法对逆变器死区效应进行补偿之后，输至被控制永磁同步电机2的a相电流FFT谐波分析示意图详见图6，电流畸变率降低为1.69%，5、7次谐波相对基波比分别为0.028%和0.039%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、信号实时采集及同步上传：由逆变器（5）进行驱动的被控制永磁同步电机（2）运行过程中，通过电流检测单元（1）对被控制永磁同步电机（2）的ABC三相电流分别进行实时检测，并通过信号采集电路一（3-1）且按照预先设定的电流采样频率f₁对电流检测单元（1）实时所检测信号同步进行采集，且将每一个电流采集周期内所检测的三相电流信号同步上传至数据处理器（4）；同时，通过旋转角度检测单元（6）对被控制永磁同步电机（2）的转子旋转电角度进行实时检测，并通过信号采集电路二（3-2）且按照预先设定的旋转角度采样频率f₂对旋转角度检测单元（6）实时所检测信号同步进行采集，且将每一个旋转角度采集周期内所检测的转子旋转电角度同步上传至数据处理器（4）；

其中，

T_pwm为通过参数输入单元（8）预先输入的电压空间矢量控制周期；

步骤二、逆变器死区效应在线补偿：采用数据处理器（4）且按照预先设定的分析处理频率f₃，由先至后对接收到的各电流采样周期内所采集的三相电流信号分别进行分析处理，并根据分析处理结果当前时刻逆变器（5）的死区效应进行在线补偿；其中，对各电流采集周期内所采集三相电流信号的分析处理方法均相同，且对于任一个电流采样周期而言，其分析处理过程如下：

步骤201、采集信号接收及同步存储：数据处理器（4）将此时所接收到的当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，同步存储至数据存储单元（7）内；式中，k为电流采样次数且k=1、2、3、…；

步骤202、分析处理时间判断：数据处理器（4）按照预先设定的分析处理频率f₃，分析判断此时是否需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理：当需对当前电流采样周期内所采集信号进行分析处理时，数据处理器（4）将此时所接收到的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度θ_rj同步存储至数据存储单元（7）内，并进入步骤203；否则，转入步骤205；

其中

其中A为正整数；j为旋转角度采样次数且j=1、2、3、…；

步骤203、逆变器死区效应扰动电压在线观测：所述数据处理器（4）调用死区效应扰动电压观测模块，对当前时刻逆变器（5）的死区效应扰动电压在线观测，且其在线观测过程如下：

步骤2031、坐标变换：将当前电流采样周期内所采集的三相电流信号i_ak、i_bk和i_ck，先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号

和

，并同步存储至所述数据存储单元（7）内；

步骤2032、当前电流采样周期内的电流变化量计算：根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{dk}}^e=i_{\mathrm{dk}}^e-i_{d(k-1)}^e\\ \mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{qk}}^e=i_{\mathrm{qk}}^e-i_{(k-1)}^e\end{array}\right.---\left(1\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内的电流变化量

和式(1)中和

为步骤2031中所获得的两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内所采集的两相电流信号；

和

为将数据存储单元（7）内存储的上一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k-1）、i_b（k-1）和i_c（k-1），先经Clark变换且再经Park变换后，获得两相同步旋转坐标系下的两相电流信号；

其中，当k=1时，

步骤2033、当前电流采样周期内定子侧感应电动势变化量计算：结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2032中计算得出的

和并根据公式： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{V}_d^e=V_d^{e^{*}}-R_s{i}_d^e-L_d\frac{{\mathrm{\Δi}}_d^e}{T_i}\\ \mathrm{\Δ}{V}_q^e=V_q^{e^{*}}-R_s{i}_q^e-L_q\frac{\mathrm{\Δ}{i}_q^e}{T_i}\end{array}\right.---\left(2\right)$ ，计算得出两相同步旋转坐标系下当前电流采样周期内被控制永磁同步电机（2）的定子侧感应电动势变化量

和式(2)中Rs为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的定子电阻，

和分别为当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机（2）的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量，L_d和L_q分别为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的直轴主电感和交轴主电感，T_i为信号采集电路一（3-1）的采样周期且

所述参数输入单元（8）与数据处理器（4）相接；

步骤2034、当前时刻逆变器死区效应扰动电压计算：将公式(2)代入公式： $\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{L}_d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{dk}}^e+{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}-\mathrm{\Δ}{V}_q^e\\ L_q{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}{i}_{\mathrm{qk}}^e+\mathrm{\Δ}{V}_d^e\end{array}\right]---\left(3\right)$ ，并结合步骤2031中所获得的

和

以及步骤2033中计算得出的和

计算得出当前时刻逆变器（5）的死区效应扰动电压

和

式(3)中，ψ_f为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_rj为当前时刻被控制永磁同步电机（2）的转子旋转角速度且

其中θ_r(j-1)为数据存储单元（7）内存储的上一个旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度；其中，当j=1时，θ_r(j-1)=0；

步骤204、逆变器死区效应补偿：数据处理器（4）将公式(3)代入公式： $\left[\begin{array}{c}{V}_d^{e^{*}}\\ V_q^{e^{*}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+L_{d}p& -L_d{\mathrm{\ω}}_j\\ L_q{\mathrm{\ω}}_j& R_s+L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dk}}^e\\ i_{\mathrm{qk}}^e\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ω}}_j\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{rj}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{d\_\mathrm{dis}}^s\\ V_{q\_\mathrm{dis}}^s\end{array}\right]---\left(4\right)$ 计算得出当前时刻期望输出的被控制永磁同步电机（2）的定子参考电压在d轴和q轴上的电压分量

和之后，数据处理器（4）调用SVPWM控制模块且按照预先设定的空间矢量调制周期T，对计算得出的

和进行空间矢量脉宽调制处理，并相应得出当前时刻对逆变器（5）进行控制的PWM信号；其中，T=T_pwm；

式(4)中，p为微分算子，R_s为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的定子电阻，L_d和L_q分别为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的直轴主电感和交轴主电感，ψ_f为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的转子磁链，θ_rj为步骤202中所存储的当前旋转角度采样周期内所采集的转子旋转电角度，ω_j为当前时刻被控制永磁同步电机（2）的转子电角速度且ω_j=n_p×ω_rj，其中ω_rj为步骤2034中推算出的当前时刻被控制永磁同步电机（2）的转子旋转角速度，n_p为通过参数输入单元（8）预先输入的被控制永磁同步电机（2）的极对数；

步骤205、返回步骤201，对下一个电流采样周期内所采集的三相电流信号i_a（k+1）、i_b（k+1）和i_c（k+1）进行分析处理。

2.按照权利要求1所述的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于：步骤一中所述的被控制永磁同步电机（2）为表面式永磁同步电机，且步骤2033、步骤2034和步骤204中的L_d=L_q。

3.按照权利要求1或2所述的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于：步骤202中A=100～1500。

4.按照权利要求1或2所述的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于：步骤一中所述逆变器（5）的三个电源输出端通过ABC三相电缆与被控制永磁同步电机（2）的三个电源输入端相接，且所述电流检测单元（1）包括两个分别对ABC三相电缆中任意两相电缆的相电流进行实时检测的电流采样电阻。

5.按照权利要求1或2所述的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于：步骤204中调用SVPWM控制模块对计算得出的

和

进行分析处理之前，所述数据处理器（4）还需调用低压滤波器模块对计算得出的

和

进行滤波处理。

6.按照权利要求1或2所述的一种永磁同步电机逆变器死区效应补偿方法，其特征在于：步骤204中所述数据处理器（4）调用SVPWM控制模块对计算得出的和

进行分析处理时，先调用坐标变换模块将计算得出的

和

先经Park逆变换再经Clark逆变换后，获得三相静止坐标系下当前时刻被控制永磁同步电机（2）的定子参考电压在a、b和c轴上的电压分量

和

之后，再调用PWM发生模块对所获得的电压分量

和进行空间矢量脉宽调制处理，并获得当前时刻对逆变器（5）进行控制的PWM信号。

7.一种实现权利要求1所述补偿方法的永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征在于：包括数据处理器（4）、对被控制永磁同步电机（2）的ABC三相电流分别进行实时检测的电流检测单元（1）、与电流检测单元（1）相接的信号采集电路一（3-1）、对被控制永磁同步电机（2）的转子旋转电角度进行实时检测的旋转角度检测单元（6）、与旋转角度检测单元（6）相接的信号采集电路二（3-2）以及分别与数据处理器（4）相接的数据存储单元（7）和参数输入单元（8），所述信号采集电路一（3-1）和信号采集电路二（3-2）均与数据处理器（4）相接，所述逆变器（5）包括三相桥式逆变电路（5-1）和对三相桥式逆变电路（5-1）相接的功率开关驱动电路（5-2），所述数据处理器（4）与功率开关驱动电路（5-2）相接；所述三相桥式逆变电路（5-1）的三个电源输出端通过ABC三相电缆分别与被控制永磁同步电机（2）的三个电源输入端相接。

8.按照权利要求7所述的永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征在于：所述数据处理器（4）为DSP处理器或ARM处理器。

9.按照权利要求8所述的永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征在于：所述DSP处理器为芯片TMS320F28335。

10.按照权利要求7、8或9所述的永磁同步电机逆变器死区效应补偿系统，其特征在于：所述旋转角度检测单元（6）为安装在被控制永磁同步电机（2）的动力输出轴上的光电编码器。

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