CN103930844B - 用于校正要施加于电负载的电压的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及要在电力转换器中实现的控制方法，所述电力转换器包含通过控制规则控制的逆变器模块(INV)，该控制规则可以根据参考控制电压(u)确定要施加于电负载(C)的控制电压(u)，该控制方法包含确定要施加于参考控制电压(u)的校正值(u)的步骤，所述校正值(u)是从通过滤波代表真实测量电压(u)的电压获得的第一滤波电压和通过滤波代表参考控制电压(u)的电压获得的第二滤波电压中确定的。

Description

用于校正要施加于电负载的电压的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及用于校正要施加于电负载的控制电压的控制方法和系统。

背景技术

众所周知，电力转换器包含逆变器模块，该逆变器模块配有每一条都与要控制的电负载连接的几条开关臂(例如，三条开关臂)。开关臂并联在与电压源连接的两条供电线之间。每条臂包含，例如，串联在两条供电线之间的至少两个开关、和位于第一开关与第二开关之间并与电负载连接的连接中点。每个开关包含，例如，晶体管和可选地，如果该晶体管是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)型的，二极管。

在传统逆变器模块的开关臂中，通过互补PWM(脉宽调制)信号控制两个开关，也就是说，当开关之一处在闭合状态下时，另一个开关处在打开状态，反之亦然。而且，为了防止两个开关同时处在闭合状态下，在两个开关的闭合状态开关时间之间插入死时间。在这个死时间期间，两个开关因此处在打开状态下。因此可靠地避免了两条供电线之间的短路以及由这种短路引起的电流尖峰。

作为要施加于电负载的所希望电压的函数地控制每条开关臂，以便获得输出电压。由于每个开关的固有电压降、每个开关的电阻和PWM控制中死时间的插入，已经证明实际施加的输出电压总是不同于所希望电压。因此，有必要适当地作出电压补偿，以便实际施加于电负载的每个电压等于所希望电压。为了解决这个问题，在现有技术中已知的大多数过程都是借助于复杂仪器实现的。

本发明的目的是提出可以补偿电力转换器的逆变器模块的非线性的控制方法，所述控制方法简单、更便宜并易于实现。

发明内容

这个目的是通过在电力转换器中实现的控制方法达到的，所述电力转换器包含通过控制法则控制的逆变器模块，该控制法则可以作为参考控制电压的函数地确定要施加于电负载的控制电压，该控制方法包含：

-测量施加于电负载的真实电压的步骤；

-滤波代表施加于电负载的真实电压的电压以便获取第一滤波电压的第一步骤；

-滤波代表参考控制电压的电压以便获取第二滤波电压的第二步骤；以及

-确定要施加于参考控制电压的校正值的步骤，所述校正值根据第一滤波电压和第二滤波电压来确定。

按照一个具体特征，通过电子型的低通滤波器实现第一滤波步骤。

按照另一个具体特征，通过软件型的低通滤波器实现第二滤波步骤。

按照另一个具体特征，通过采用比例-积分动作校正器确定校正值。

本发明还涉及应用在电力转换器中的控制系统，所述电力转换器包含通过控制法则控制的逆变器模块，该控制法则可以作为参考控制电压的函数地确定要施加于电负载的控制电压，该控制系统包含：

-测量施加于电负载的真实电压的部件；

-滤波代表施加于电负载的真实电压的电压以便获取第一滤波电压的第一部件；

-滤波代表参考控制电压的电压以便获取第二滤波电压的第二部件；以及

-作为第一滤波电压和第二滤波电压的函数确定要施加于参考控制电压的校正值的部件。

按照一个具体特征，该第一滤波部件包含电子型的低通滤波器。

按照另一个具体特征，该第二滤波部件包含软件型的低通滤波器。

按照另一个具体特征，该第一滤波部件的时间常数和该第二滤波部件的时间常数基本相同。

按照另一个具体特征，通过采用比例-积分动作校正器确定校正值。

按照本发明，使用电子型的低通滤波器滤波测量的真实电压使得可以工作在与存在于输出相中的电流的时间动态相对应的慢时间动态下，这个电流对应于要控制的最终量值。

附图说明

当参照通过例子给出和通过附图表示的实施例时，本发明的其它特点和优点将在如下的详细描述中变得显而易见，在附图中：

图1代表变速驱动型的电力转换器的输出级；以及

图2代表电力转换器的控制示意图，所述示意图例示了本发明的控制方法。

具体实施方式

本发明应用于电力转换器的控制，更精确地说，应用于要施加于与电力转换器连接的电负载L的电压校正值的确定。

参照图1，电力转换器包含带有电压源的逆变器模块INV。表述“带有电压源的逆变器INV”指的是正如所谓的飞跨电容器逆变器和矩阵转换器类型的逆变器那样，具有包含DC供电总线的两个或更多个层次的所有传统逆变器。随后的描述尤其涉及具有两个层次的传统逆变器，但必须明白，本发明可应用于包含能够通过开关模拟的至少一条开关臂的任何类型电力转换器。

众所周知，像表示在图1中那样的传统逆变器模块INV包含两条供电线，即，正供电线和负供电线，其间连接着总线电容器Cbus和几条开关臂1、2、3(在图1中，三条开关臂)。通常，每条开关臂1、2、3包含连接在两条供电线之间的至少两个开关(T1₁，T2₁，T1₂，T2₂，T1₃，T2₃)。在每条臂上，位于两个开关之间的连接中点(也用1、2、3指定)与电负载L连接。每个开关包含IGBT、JFET(结型场效应晶体管)型等的晶体管。如果晶体管是IGBT型的，则例行地与二极管相联系。

在附后的描述中，认为每个开关(T1₁，T2₁，T1₂，T2₂，T1₃，T2₃)由IGBT晶体管和二极管组成。

参考图2，逆变器模块INV的开关受由电力转换器的处理部件执行的控制法则CL控制。众所周知，控制法则接收要施加于电负载L的参考通量和参考速度ω_ref作为输入，使得可以作为这个参考通量和这个参考速度ω_ref的函数确定要施加(u_app)在与电负载L连接的电力转换器的每个输出相U、V、W上的参考控制电压u_ref。

在控制法则CL中，已知根据代表作为输入施加于参考电压发生器UREF的参考通量和参考速度ω_ref的参考控制电压u_ref，确定要施加在电力转换器的每个输出相U、V、W上的控制电压u_app。

在这种配置中，已知在输出相上测量的真实电压u_real不对应于确定的参考控制电压u_ref。这特别是由逆变器模块的非线性引起的，这些非线性是由在开关的切换之间插入的死时间、由开关的切换的持续时间、和由每个开关的固有电压损失引起的。

本发明的控制方法可以补偿电压的损失，以获得等于所希望参考控制电压u_ref的在输出相上测量的真实电压u_real。本发明的控制系统包含可以实现这种方法的硬件和软件部件。

本发明的控制方法在于通过计算部件确定要应用于每个参考控制电压u_ref的校正值，u_cor，以便校正要施加于电负载L的相应控制电压u_app。

参考图2，该方法在于测量施加于与电负载L连接的输出相的真实电压u_real。这些真实电压u_real是，例如，以至少两个复合电压u_{real_comp}(复合电压＝在两个输出相之间测量的电压)的形式恢复的。此后，例如，通过电子(与软件相对)型的低通滤波器F_Hw滤波真实复合电压，以便获得滤波的真实复合电压u_{real_comp} ^F。

相应地，该控制方法在于以获取滤波的参考复合电压u_{ref_comp} ^F的方式，由软件型的低通滤波器F_Sw以与上文所述的电子滤波器相同的时间常数滤波也以复合电压u_{ref_comp}的形式恢复的参考控制电压u_ref。

对于本发明的实现，我们应用了复合电压，因为两个电压测量值足以确定所有真实简单电压。但是，也可以直接从在每个输出相上测量的真实简单电压开始。然后恢复相应参考简单电压以便实现本方法。

将滤波的参考复合电压u_{ref_comp} ^F和滤波的真实复合电压u_{real_comp} ^F作为输入施加于校正块，使得可以确定校正值u_cor。

如下的确定使得可以根据如下的变量说明要应用的校正的原理：

-i_s对应于流入电力转换器的输出相中的电流；

-u_app对应于要施加于电负载的控制电压；

-u_real对应于施加于电负载的真实电压；

-u_ref对应于使得可以确定要施加于电负载的控制电压的参考控制电压；以及

-u_cor对应于使得可以将真实电压与参考控制电压对准的计算校正值。

用逆变器模块的输出端上的电压表示的模型可以通过如下关系表达：

u_real＝u_app+perturbations

其中必须消除perturbations项，以便施加于电负载的真实电压对应于要施加于电负载的控制电压。如前所述，perturbations项尤其对应于逆变器模块的每个开关中的电压损失，对应于每个开关的固有电阻，以及与流入每个相中的电流的符号有关。

按照本发明，要施加于电负载的控制电压对应于按照如下表达式的参考控制电压与校正值之和：

u_app＝u_ref+u_cor。

真实电压的电子滤波通过如下关系表达：

$T\·\frac{d}{\mathrm{dt}}{u_{\mathrm{real}}}^F=u_{\mathrm{real}}-{u_{\mathrm{real}}}^F$

其中：

-T代表电子滤波器的时间常数；以及

-urealF对应于滤波的真实控制电压。

参考控制电压的软件滤波通过如下关系表达：

$T\·\frac{d}{\mathrm{dt}}{u_{\mathrm{ref}}}^F=u_{\mathrm{ref}}-{u_{\mathrm{ref}}}^F$

其中：

-T代表与电子滤波器的时间常数相同的软件滤波器的时间常数；以及

-u_ref ^F对应于滤波的参考控制电压。

通过定义Δu＝u^F-u_ref ^F，

获得误差的定义：

$T\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δu}=u_{\mathrm{real}}-u_{\mathrm{ref}}-\mathrm{\Δu}$

$T\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δu}=-\mathrm{\Δu}+u_{\mathrm{app}}+\mathrm{perturbations}-u_{\mathrm{ref}}$

$T\·\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δu}=-\mathrm{\Δu}+u_{\mathrm{cor}}+\mathrm{perturbations}$

为了丢弃perturbations项，可以将比例积分动作校正器PI应用在如下表达式中：

其中K_P和K_I对应于比例积分动作校正器PI的增益。

此外，也可以加入预期动作(“正馈”)项来确定校正值。校正关系然后变成如下：

其中与例如等于Vcomp·sign(i_s)的预期动作项相对应的perturbations_EST项代表扰动函数的图像。Vcomp对应于引起逆变器模块的非线性的补偿电压。

因此，通过向比例积分动作校正器PI注入采取例如复合电压形式的滤波的参考控制电压、和采取例如复合电压形式的在输出相上测量的滤波的真实电压，可以确定校正值u_cor。以获取顾及多种多样扰动(尤其开关的切换引起的非线性(perturbations))、要施加于电负载L的控制电压u_app的方式将这些校正值u_cor加入参考控制电压u_ref中。

按照本发明，控制系统可以包含当电机的速度变得太高时，终止上文所述的校正过程的部件。的确，在高速上，在开关的切换期间由死时间引起的对电压的影响可变得忽略不计，从而使校正过程几乎无关。

Claims (9)

1.一种在电力转换器中实现的控制方法，所述电力转换器包含通过控制法则控制的逆变器模块(INV)，该控制法则可以作为参考控制电压(u_ref)的函数确定要施加于电负载(L)的控制电压(u_app)，其特征在于该控制方法包含：

-测量施加于电负载(L)的真实电压(u_real)的步骤；

-滤波代表施加于电负载的真实电压(u_real)的电压以便获取第一滤波电压的第一步骤；

-滤波代表参考控制电压(u_ref)的电压以便获取第二滤波电压的第二步骤；以及

-确定要施加于参考控制电压(u_ref)的校正值(u_cor)的步骤，所述校正值(u_cor)根据第一滤波电压和第二滤波电压来确定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过电子型的低通滤波器(F_Hw)实现第一滤波步骤。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过软件型的低通滤波器(F_Sw)实现第二滤波步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于通过采用比例-积分动作校正器(PI)确定校正值(u_cor)。

5.一种应用在电力转换器中的控制系统，所述电力转换器包含通过控制法则控制的逆变器模块(INV)，该控制法则可以作为参考控制电压(u_ref)的函数确定要施加于电负载(L)的控制电压(u_app)，其特征在于该控制系统包含：

-测量施加于电负载(L)的真实电压(u_real)的部件；

-滤波代表施加于电负载的真实电压(u_real)的电压以便获取第一滤波电压的第一滤波部件；

-滤波代表参考控制电压(u_ref)的电压以便获取第二滤波电压的第二滤波部件；以及

-作为第一滤波电压和第二滤波电压的函数确定要施加于参考控制电压(u_ref)的校正值(u_cor)的部件。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于第一滤波部件包含电子型的低通滤波器(F_Hw)。

7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于第二滤波部件包含软件型的低通滤波器(F_Sw)。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于该第一滤波部件的时间常数和该第二滤波部件的时间常数基本相同。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于通过采用比例-积分动作校正器(PI)确定校正值(u_cor)。