CN103457498A - 一种电机励磁设备及其死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机励磁设备的死区补偿方法，其通过在相电流过零点附近设置一段区间，在区间以外直接根据电流方向进行相应补偿，在区间内按三次曲线进行脉宽补偿，即越接近零点由于其极性的不确定性越大，就相应的减弱该时刻的补偿效果从而削弱过零点处电流极性误判带来的影响。本发明还公开了一种实现上述方法的电机励磁设备，其包括逆变电路和控制器；控制器包括相电流采样单元、光电编码单元、滤波单元和过零补偿处理单元；该设备能够解决相电流过零点波形畸变的问题，保证电机性能正常。

Description

一种电机励磁设备及其死区补偿方法

技术领域

本发明属于PWM死区补偿技术领域，具体涉及一种电机励磁设备及其死区补偿方法。

背景技术

传统电机一般需要励磁设备对其转子进行供电，该励磁设备大多使用PWM（脉宽调制）发波技术。它的主回路拓扑结构为：由一电压源提供直流电压，然后通过三相全桥逆变电路，产生可调的电压输出为电机转子励磁。对于三相全桥逆变电路，它的每一相电路由两个带续流二极管的功率开关器件串联组成，通常称与直流电源正极相连的为上桥臂，与负极相连的为下桥臂。功率开关器件的开关需要一定的时间，因此在这种拓扑结构下，为了避免两个器件同时导通，引起短路，必须在一个器件关闭后，延时一定时间，另一个器件才允许导通，这段时间被称为死区时间。死区时间的加入会造成功率开关器件实际开通时间与理论计算值不符，导致控制效果变差。

在死区时间T_d内，逆变器上下开关管关断，电流不可控，由二极管进行续流，输出电压由相电流正负决定。如图1和2所示，以A相为例，且A相电流i_a流出逆变器为正，此时在死区时间内由D₂进行续流，所以死区时间内A相输出电压U_out为低电平，当A相电流i_a为负时，死区时间内由二极管D₁进行续流，逆变器A相输出电压U_out为高电平。当i_a>0时，相当于在逆变器理想输出的基础上减去了一段脉宽为死区时间的脉冲；i_a<0时，相当于在逆变器理想输出的基础上增加了一段脉宽为死区时间的脉冲。

由于死区时间的影响，逆变器实际输出的电压和理想波形存在畸变，基波幅值减小，谐波失真增大，因此使得电机相电流波形畸变并带来转矩脉动等影响，尤其影响了电机的低速性能。

传统的死区补偿方法是：如果相电流方向是由逆变器流向电机，那么就让上桥臂的导通时间等于理论计算值加死区时间；反之，则是减小一个死区时间。

所以，死区补偿的关键，就是判断相电流方向。采用这种死区补偿方法的逆变器通常都设计有电流采样电路，依靠采样到的相电流，判断电流方向。但是存在以下问题：（1）PWM发波输出电压为脉冲形式，电流波动较大。在电流过零点，也就是电流方向发生变化过程中，很难准确判断电流方向；（2）死区补偿会影响电流波形，尤其是在电流过零点时，电流幅值较小，死区补偿错误，很容易导致电流方向改变，依赖错误的电流方向补偿，结果必然也是错误的。

另一种死区补偿方法就是直接采样输出电压的脉冲宽度，跟期望脉冲进行对比，其偏差值作为死区补偿量。这种方案需要额外的电压采样电路，同时也存在一个缺点，问题仍然是出在电流过零点的位置。由于电流过零点附近电流很小，无法使功率开关器件有效导通。此时测量输出电压，死区时间内的波形将会出现台阶状上升。当电流继续减小，死区时间内功率开关器件包括续流二极管都无法导通。此时测量的输出电压，实际上是功率开关器件内寄生电容两端电压。由于没有放电回路，寄生电容两端电压将维持功率开关器件关断前的电压不变。它们都无法反映上下桥臂导通情况，此时的反馈量，也就不能用于死区补偿。当比较点在接近中点位置时，通常认为此时无需做任何补偿，或者补偿量受台阶电压出现位置的影响，变得不准确。在电流过零点，不补偿或者不准确的补偿，都会造成箝位或电流波形几遍，从而导致电机性能下降。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种电机励磁设备及其死区补偿方法，通过对逆变器输出电压进行死区补偿，能够解决相电流过零点波形畸变的问题，保证电机性能正常。

一种电机励磁设备的死区补偿方法，包括如下步骤：

（1）获取设备逆变电路上下桥臂的死区时间，同时采集逆变电路的三相输出电流，并检测电机的转子位置角；

（2）对所述的三相输出电流进行低通滤波；

（3）根据滤波后的三相输出电流以及死区时间，利用过零点区间线性补偿法计算出逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量，进而根据所述的脉宽补偿量通过调制构造出PWM信号以对逆变电路进行控制。

由于电机运行时，相电流存在大量噪声会对电流方向的判断造成影响，因此为了削弱电流噪声对电机电流方向判断的影响，需要对采集的输出电流信号进行滤波。但是考虑到滤波的延时性，会造成死区补偿的不及时，故优选地：

所述的步骤（2）中对三相输出电流进行低通滤波的方法如下：

首先，根据所述的转子位置角对三相输出电流进行dq变换，得到三相输出电流的d轴分量和q轴分量；

然后，对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波；

最后，对滤波后的d轴分量和q轴分量进行dq反变换，得到滤波后的三相输出电流。

由于电机负载一定时，dq轴电流变化不大，在dq坐标系下对dq轴电流分量进行滤波后再反变换到三相静止坐标系，如此带来的延时将大幅减小。

优选地，根据以下传递函数对d轴分量和q轴分量进行低通滤波：

$H\left(s\right)=\frac{K_1{\mathrm{\&delta;}}^2}{s^2+\frac{\mathrm{\&delta;}}{K_2}s+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\frac{1}{s-1}$

其中：H(s)为低通滤波的传递函数，s为拉普拉斯算子，δ为截止频率且V为逆变电路三相输出电压的线电压有效值，R为电机单相转子绕组的内电阻，K₁和K₂均为预设的滤波参数。

该滤波设计能够有效消除相电流所存在的噪声，削弱电流噪声对电机电流方向判断的影响。

所述的步骤（3）中利用过零点区间线性补偿法基于以下算式计算逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_j=\left\{\begin{array}{c}\frac{T_d}{2},i_j>\mathrm{\&Delta;i}\\ \frac{T_d}{2}\&times;{\left(\frac{i_j}{\mathrm{\&Delta;i}}\right)}^3\\ -\frac{T_d}{2},i_j<-\mathrm{\&Delta;i}\end{array},-\mathrm{\&Delta;i}<i_j<\mathrm{\&Delta;i}\right.$

其中：ΔT_j为j相输出电压的脉宽补偿量，T_d为逆变电路上下桥臂的死区时间，i_j为滤波后的j相输出电流，Δi为预设的过零区间电流幅值，j=a、b或c。

由于电路零漂、离散化误差、延时等影响，使得电流在过零点附近时的电流极性很不准确，而直接根据电流方向进行补偿会因为方向的误判而造成补偿的方向截然相反，从而使得补偿后逆变器输出电压过零点附近失真更加严重。电流越接近零点，电流波动以及检测延时带来的极性判断误差越大，通过在过零点附近设置区间进行线性化补偿可以一定程度减小电流方向误判带来的影响。

一种电机励磁设备，包括逆变电路和控制器；所述的控制器包括：

相电流采样单元，用于采集逆变电路的三相输出电流；

光电编码单元，用于检测电机的转子位置角；

滤波单元，用于对所述的三相输出电流进行低通滤波；

过零补偿处理单元，用于根据滤波后的三相输出电流，计算出逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量，进而根据所述的脉宽补偿量通过调制构造出PWM信号以对逆变电路进行控制。

优选地，所述的滤波单元包括：

坐标变换模块，用于根据所述的转子位置角对三相输出电流进行dq变换，得到三相输出电流的d轴分量和q轴分量；

滤波模块，用于对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波；

坐标反变换模块，用于对滤波后的d轴分量和q轴分量进行dq反变换，得到滤波后的三相输出电流。

由于电机负载一定时，dq轴电流变化不大，在dq坐标系下对dq轴电流分量进行滤波后再反变换到三相静止坐标系，如此带来的延时将大幅减小。

优选地，所述的滤波模块基于以下传递函数对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波：

$H\left(s\right)=\frac{K_1{\mathrm{\&delta;}}^2}{s^2+\frac{\mathrm{\&delta;}}{K_2}s+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\frac{1}{s-1}$

其中：H(s)为低通滤波的传递函数，s为拉普拉斯算子，δ为截止频率且V为逆变电路三相输出电压的线电压有效值，R为电机单相转子绕组的内电阻，K₁和K₂均为预设的滤波参数。

所述的过零补偿处理单元根据以下算式计算逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_j=\left\{\begin{array}{c}\frac{T_d}{2},i_j>\mathrm{\&Delta;i}\\ \frac{T_d}{2}\&times;{\left(\frac{i_j}{\mathrm{\&Delta;i}}\right)}^3\\ -\frac{T_d}{2},i_j<-\mathrm{\&Delta;i}\end{array},-\mathrm{\&Delta;i}<i_j<\mathrm{\&Delta;i}\right.$

其中：ΔT_j为j相输出电压的脉宽补偿量，T_d为逆变电路上下桥臂的死区时间，i_j为滤波后的j相输出电流，Δi为预设的过零区间电流幅值，j=a、b或c。

本发明采用脉宽补偿的方式，即通过对PWM输出切换点的补偿达到改变PWM输出占空比从而间接达到补偿电压的目的。根据分析，相电流大于0时，需要对逆变器输出增加补偿电压，因此需要增大相应相的PWM占空比，即减小PWM输出切换点的值。电流小于0时，即需要增大PWM输出切换点的值。

本发明在相电流过零点附近设置一段区间，在区间以外直接根据电流方向进行相应补偿，在区间内按三次曲线进行脉宽补偿，即越接近零点由于其极性的不确定性越大，就相应的减弱该时刻的补偿效果从而削弱过零点处电流极性误判带来的影响；能够解决相电流过零点波形畸变的问题，保证电机性能正常。

附图说明

图1为A相逆变电路的相电流电压输出原理示意图。

图2为A相逆变电路死区时间影响的波形示意图。

图3为本发明电机励磁设备的结构示意图。

图4为本发明死区补偿方法的流程示意图。

图5为本发明相电流过零点补偿区间示意图。

图6(a)为采用传统基于电流极性补偿方法下设备相电流的波形示意图。

图6(b)为采用本发明基于过零点区间线性补偿方法下设备相电流的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图3所示，一种电机励磁设备，包括逆变电路和控制器；逆变电路的直流侧两端连接有直流电压源且并联有母线电容C，逆变电路的交流侧分别与电机三相转子绕组对应连接；

逆变电路采用三相全桥逆变拓扑结构，每个桥臂由一IGBT构建。

控制器包括有相电流采样单元、光电编码单元、坐标变换模块、滤波模块、坐标反变换模块以及过零补偿处理单元；其中：

相电流采样单元与坐标变换模块连接，用于采集逆变电路的三相输出电流I_a～I_c；本实施方式中，端电压采样单元采用霍尔电流传感器。

光电编码单元与坐标反变换模块和坐标反变换模块连接，其用于检测电机的转子位置角θ；本实施方式中，光电编码单元采用增量式光电编码器。

坐标变换模块与滤波模块连接，其用于根据转子位置角θ对三相输出电流I_a～I_c进行dq变换，得到三相输出电流的d轴分量I_d和q轴分量I_q；具体转换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$

滤波模块与坐标反变换模块相连，其用于对d轴分量I_d和q轴分量I_q进行低通滤波，得到滤波后的d轴分量i_d和q轴分量i_q；本实施方式中，滤波模块基于以下传递函数：

$H\left(s\right)=\frac{K_1{\mathrm{\&delta;}}^2}{s^2+\frac{\mathrm{\&delta;}}{K_2}s+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\frac{1}{s-1}$

其中：H(s)为低通滤波的传递函数，s为拉普拉斯算子，δ为截止频率且V为逆变电路三相输出电压的线电压有效值，R为电机单相转子绕组的内电阻，K₁和K₂均为预设的滤波参数；本实施方式中，K₁=4，K₂=50。

坐标反变换模块与过零补偿处理单元相连，用于对滤波后的d轴分量i_d和q轴分量i_q进行dq反变换，得到滤波后的三相输出电流i_a～i_c；具体转换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}& 1\\ \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& 1\\ \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]$

过零补偿处理单元用于根据滤波后的三相输出电流i_a～i_c，计算出逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量ΔT_j，进而根据脉宽补偿量ΔT_j通过调制构造出PWM信号以对逆变电路中的IGBT进行开关控制。

本实施方式中，坐标变换模块、滤波模块、坐标反变换模块以及过零补偿处理单元均通过在处理器平台下编程实现。

其中，过零补偿处理单元根据以下算式计算逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_j=\left\{\begin{array}{c}\frac{T_d}{2},i_j>\mathrm{\&Delta;i}\\ \frac{T_d}{2}\&times;{\left(\frac{i_j}{\mathrm{\&Delta;i}}\right)}^3\\ -\frac{T_d}{2},i_j<-\mathrm{\&Delta;i}\end{array},-\mathrm{\&Delta;i}<i_j<\mathrm{\&Delta;i}\right.$

其中：ΔT_j为j相输出电压的脉宽补偿量，T_d为逆变电路上下桥臂的死区时间，i_j为滤波后的j相输出电流，Δi为预设的过零区间电流幅值（其根据补偿的效果人为设定），j=a、b或c。

本实施方式电机励磁设备的死区补偿方法流程如图4所示，由于电路零漂、离散化误差、延时等影响，使得电流在过零点附近时的电流极性很不准确，而直接根据电流方向进行补偿会因为方向的误判而造成补偿的方向截然相反，从而使得补偿后逆变器输出电压过零点附近失真更加严重。电流越接近零点，电流波动以及检测延时带来的极性判断误差越大，本实施方式通过在过零点附近设置区间进行线性化补偿可以一定程度减小电流方向误判带来的影响。

如图5所示，在电流过零点附近设置一段区间（Ter=T_d/2），在区间以外直接根据电流方向进行相应补偿。在区间内按三次曲线y=ax³进行时间补偿，即越接近零点由于其极性的不确定性越大，就相应的减弱该时刻的补偿效果从而削弱过零点处电流极性误判带来的影响。

本实施方式采用脉宽补偿的方式，即通过对PWM输出切换点的补偿达到改变PWM输出占空比从而间接达到补偿电压的目的。根据分析，相电流大于0时，需要对逆变器输出增加补偿电压，因此需要增大相应相的PWM占空比，即减小PWM输出切换点的值。电流小于0时，即需要增大PWM输出切换点的值。

图6(a)为传统直接根据电流极性进行死区补偿的相电流波形，图6(b)为本发明基于过零点区间三次曲线线性补偿后的相电流波形；从图中可以看出，经过三次曲线补偿平滑处理后相电流波形过零点处更加平滑，削弱了零电流嵌位现象。相比于过零点附近的线性化补偿，遵循三次曲线规律的平滑性补偿，相电流谐波失真会更小。

Claims (8)

1.一种电机励磁设备的死区补偿方法，包括如下步骤：

（1）获取设备逆变电路上下桥臂的死区时间，同时采集逆变电路的三相输出电流，并检测电机的转子位置角；

（2）对所述的三相输出电流进行低通滤波；

（3）根据滤波后的三相输出电流以及死区时间，利用过零点区间线性补偿法计算出逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量，进而根据所述的脉宽补偿量通过调制构造出PWM信号以对逆变电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的死区补偿方法，其特征在于：所述的步骤（2）中对三相输出电流进行低通滤波的方法如下：

首先，根据所述的转子位置角对三相输出电流进行dq变换，得到三相输出电流的d轴分量和q轴分量；

然后，对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波；

最后，对滤波后的d轴分量和q轴分量进行dq反变换，得到滤波后的三相输出电流。

3.根据权利要求2所述的死区补偿方法，其特征在于：根据以下传递函数对d轴分量和q轴分量进行低通滤波：

$H\left(s\right)=\frac{K_1{\mathrm{\&delta;}}^2}{s^2+\frac{\mathrm{\&delta;}}{K_2}s+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\frac{1}{s-1}$

其中：H(s)为低通滤波的传递函数，s为拉普拉斯算子，δ为截止频率且

V为逆变电路三相输出电压的线电压有效值，R为电机单相转子绕组的内电阻，K₁和K₂均为预设的滤波参数。

4.根据权利要求1所述的死区补偿方法，其特征在于：所述的步骤（3）中利用过零点区间线性补偿法基于以下算式计算逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_j=\left\{\begin{array}{c}\frac{T_d}{2},i_j>\mathrm{\&Delta;i}\\ \frac{T_d}{2}\&times;{\left(\frac{i_j}{\mathrm{\&Delta;i}}\right)}^3\\ -\frac{T_d}{2},i_j<-\mathrm{\&Delta;i}\end{array},-\mathrm{\&Delta;i}<i_j<\mathrm{\&Delta;i}\right.$

其中：ΔT_j为j相输出电压的脉宽补偿量，T_d为逆变电路上下桥臂的死区时间，i_j为滤波后的j相输出电流，Δi为预设的过零区间电流幅值，j=a、b或c。

5.一种电机励磁设备，包括逆变电路和控制器；其特征在于：所述的控制器包括：

相电流采样单元，用于采集逆变电路的三相输出电流；

光电编码单元，用于检测电机的转子位置角；

滤波单元，用于对所述的三相输出电流进行低通滤波；

过零补偿处理单元，用于根据滤波后的三相输出电流，计算出逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量，进而根据所述的脉宽补偿量通过调制构造出PWM信号以对逆变电路进行控制。

6.根据权利要求5所述的电机励磁设备，其特征在于：所述的滤波单元包括：

坐标变换模块，用于根据所述的转子位置角对三相输出电流进行dq变换，得到三相输出电流的d轴分量和q轴分量；

滤波模块，用于对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波；

坐标反变换模块，用于对滤波后的d轴分量和q轴分量进行dq反变换，得到滤波后的三相输出电流。

7.根据权利要求6所述的电机励磁设备，其特征在于：所述的滤波模块基于以下传递函数对所述的d轴分量和q轴分量进行低通滤波：

$H\left(s\right)=\frac{K_1{\mathrm{\&delta;}}^2}{s^2+\frac{\mathrm{\&delta;}}{K_2}s+{\mathrm{\&delta;}}^2}-\frac{1}{s-1}$

其中：H(s)为低通滤波的传递函数，s为拉普拉斯算子，δ为截止频率且V为逆变电路三相输出电压的线电压有效值，R为电机单相转子绕组的内电阻，K₁和K₂均为预设的滤波参数。

8.根据权利要求5所述的电机励磁设备，其特征在于：所述的过零补偿处理单元根据以下算式计算逆变电路三相输出电压的脉宽补偿量：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_j=\left\{\begin{array}{c}\frac{T_d}{2},i_j>\mathrm{\&Delta;i}\\ \frac{T_d}{2}\&times;{\left(\frac{i_j}{\mathrm{\&Delta;i}}\right)}^3\\ -\frac{T_d}{2},i_j<-\mathrm{\&Delta;i}\end{array},-\mathrm{\&Delta;i}<i_j<\mathrm{\&Delta;i}\right.$

其中：ΔT_j为j相输出电压的脉宽补偿量，T_d为逆变电路上下桥臂的死区时间，i_j为滤波后的j相输出电流，Δi为预设的过零区间电流幅值，j=a、b或c。

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