CN104201869A - 一种抛物线电流控制的死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛物线电流控制的死区补偿方法，采用的补偿电路包括依次连接的死区补偿器、抛物线电流控制器、PWM信号发生单元、驱动电路，死区补偿器连接有方向检测单元、偏移量产生单元，步骤包括：方向检测单元检测变换器的输出电流方向，判定需要调整电流误差信号的上升或下降部分；偏移量产生单元产生需要的偏移量；死区补偿器结合输出电流方向和偏移量，对接收的电流误差信号叠加相应的偏移量,生成改进后的电流误差信号；抛物线电流控制器根据死区补偿器输出的改进后的信号，生成相应的抛物线载波，PWM信号发生单元生成相应开关信号，通过驱动电路驱动变换器桥臂的开关动作，设置该提前的时间间隔为死区时间，以抵消死区的影响。

Description

一种抛物线电流控制的死区补偿方法

技术领域

本发明涉及一种抛物线电流控制的死区补偿方法。

背景技术

应用对动态性能要求较高的电压型PWM变换器时，一般采用电流跟踪控制。电流跟踪控制常采用滞环控制方法，滞环控制稳定性高、响应速度快，但开关频率变化大。

《抛物线法电流跟踪脉宽调制控制器》(专利号：200410075770.9)通过引入一对抛物线载波作为电流误差的边界，实现了开关频率的恒定。为了避免桥臂的直通，通常会在开关管开通前设置一定的死区时间，死区时间的加入，会影响到电流的跟踪精度以及开关频率的恒定。

现有的死区补偿技术无法在抛物线电流控制中使用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种抛物线电流控制的死区补偿方法，本方法在有效避免桥臂直通的情况下，提高电流跟踪精度并保持开关频率恒定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抛物线电流控制的死区补偿方法，采用的补偿电路包括依次连接的死区补偿器、抛物线电流控制器、PWM信号发生单元、驱动电路、电压变换器桥臂、电感、负载或电源，死区补偿器连接有方向检测单元、偏移量产生单元，其步骤包括：

(1)方向检测单元检测变换器的输出电流方向，判定需要调整电流误差信号的上升或下降部分；偏移量产生单元产生需要的偏移量；

(2)死区补偿器结合输出电流方向和偏移量，对接收的电流误差信号叠加相应的偏移量,生成改进后的电流误差信号；

(3)抛物线电流控制器根据死区补偿器输出的改进后的信号，生成相应的抛物线载波；

(4)对原电流误差信号进行改进，在原电流误差曲线叠加一偏移量，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，设置该提前的时间间隔为死区时间，以抵消死区的影响；

(5)PWM信号发生单元生成相应的PWM开关信号，通过驱动电路驱动变换器桥臂的开关动作。

所述步骤(2)中，当输出电流小于0时，原电流误差信号的下降部分起点需要比开关信号的下降沿延迟一个死区时间。

当输出电流小于0时，引入电流误差偏移量Δv₂，构成改进后的电流误差信号，即在原电流误差信号的上升部分叠加Δv₂，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则电压源型变换器桥臂的开关管的下管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在下管关断时上管立即导通电流，则开关信号S转换的上升沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的下降部分不需要调整。

所述步骤(2)中，当输出电流大于0时，原电流误差信号的上升部分起点需要比开关信号的上升沿延迟一个死区时间。

当输出电流大于0时，引入电流误差偏移量-Δv₂，构成改进后的delta信号，即在原电流误差信号的下降部分叠加-Δv₂，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则电压源型变换器桥臂的开关管的上管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在上管关断时下管立即导通电流，则开关信号S转换的下降沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的上升部分不需要调整。

所述改进后的电流误差信号函数表达式为：δ_offset(t)＝δ(t)+Δv₂＝δ(t)+F_PA(t_DT)，其中，δ(t)＝i_L(t)-i_ref(t)，F_PA(t)＝(T^*/2L)*(U_p-U_n)*[t/T^*-(t/T^*)²]，0≤t≤T^*；i_L为电感电流，i_ref为指令电流，U_p为变换器主电路直流侧正母线电压；U_n为变换器主电路直流侧负母线电压；T^*为开关周期；L为变换器主电路输出点与负载或电源之间的串联电感值；t_DT为死区时间；Δv₂为电流小于0时的电流误差偏移量。

所述改进后的delta信号函数信号表达式为：δ_offset(τ)＝δ(τ)+(-Δv₂)＝δ(τ)-F_PA(t_DT)，其中，δ(t)＝i_L(t)-i_REF(t)，F_PA(t)＝(T^*/2L)*(U_p-U_n)*[t/T^*-(t/T^*)²]，0≤t≤T^*；i_L为电感电流，i_REF为指令电流，U_p为变换器主电路直流侧正母线电压；U_n为变换器主电路直流侧负母线电压；T^*为开关周期；L为变换器主电路输出点与负载或电源之间的串联电感值；t_DT为死区时间；-Δv₂为电流大于0时的电流误差偏移量。

所述偏移量是一个有关于死区时间的直流量，跟时间无关。

本发明的有益效果为：

(1)有效避免上下桥臂直通的情况下，提高电流跟踪精度并保持开关频率恒定；

(2)没有死区补偿的情况下，电流跟踪精度的降低会使系统的整体性能降低；

(3)对于并网型逆变器，实际的并网电流不能有效地跟踪系统指令电流，使得实际电流THD降低；

(4)在APF中，如果实际电流的跟踪精度不高，谐波电流会得不到有效的补偿从而降低系统的整体性能；采用该方法后，死区的影响得以消除，系统的性能得到大幅提升。

附图说明

图1为采用抛物线电流控制的电压源型变换器简化电路图；

图2为电流方向不同时同一桥臂的电流流通路径示意图；

图3(a)为当输出电流小于0时抛物线电流控制的死区时间补偿方法原理图；

图3(b)为当输出电流大于0时抛物线电流控制的死区时间补偿方法原理图；

图4为改进后的死区补偿控制系统结构图。

其中：1改进的电流误差信号，2抛物线电流控制器，3开关信号，4电压源型变换器桥臂，5串联电感，6负载或者电源，1-1原电流误差曲线上升部分，1-2原电流误差曲线下降部分，1-1-1改进的电流误差曲线上升部分，1-2-1改进的电流误差曲线下降部分，2-1-1抛物线电流控制中的正的抛物线，2-1-2抛物线电流控制中的负的抛物线，4-1上桥臂，4-2下桥臂，4-1-1上桥臂IGBT(Sp)，4-1-2上桥臂附加二极管，4-2-1下桥臂IGBT(Sn)，4-2-2下桥臂附加二极管。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示，一种抛物线电流控制的死区补偿方法，采用的补偿电路包括依次连接的死区补偿器、抛物线电流控制器、PWM信号发生单元、驱动电路、电压变换器桥臂、电感、负载或电源，死区补偿器连接有方向检测单元、偏移量产生单元，其步骤包括：

(1)方向检测单元检测变换器的输出电流方向，判定需要调整电流误差信号的上升或下降部分；偏移量产生单元产生需要的偏移量；

(2)死区补偿器结合输出电流方向和偏移量，对接收的电流误差信号叠加相应的偏移量,生成改进后的电流误差信号；

(3)抛物线电流控制器根据死区补偿器输出的改进后的信号，生成相应的抛物线载波；

(4)对原电流误差信号进行改进，在原电流误差曲线叠加一偏移量，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，设置该提前的时间间隔为死区时间，以抵消死区的影响；

(5)PWM信号发生单元生成相应的PWM开关信号，通过驱动电路驱动变换器桥臂的开关动作。

为了补偿死区时间对系统的影响，改进的控制器需要比常规控制器提前产生开关信号。通过在原有的电流误差信号中引入偏移量Δv₂，实现提前产生开关信号。工作时，根据输出电流的实际工作方向，改进的电流跟踪误差信号与正向或负向抛物线载波进行比较，相交时刻翻转开关信号，将电流的跟踪误差控制在一对抛物线曲线之内，达到电流跟踪控制的目的。

规定当电流从变换器流向电感时，电流方向为正，即电流大于0；当电流从电感流向变换器，电流方向为负，即电流小于0。图1所示为电流为正时的电流流向。

当输出电流小于0时，引入改进的电流误差曲线，即调整原电流误差信号的上升部分，使改进后的电流误差δ_offset(t)与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则下管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在下管关断时上管立即导通电流，则开关信号S转换的上升沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的下降部分不需要调整。

当输出电流大于0时，引入改进的电流误差曲线，即调整原电流误差信号的下降部分，使改进后的电流误差δ_offset(τ)与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则上管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在上管关断时下管立即导通电流，则开关信号S转换的下降沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的上升部分不需要调整。

该改进的电流误差的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{offset}}\left(t\right)=\mathrm{\δ}\left(t\right)+{\mathrm{\Δv}}_2=\mathrm{\δ}\left(t\right)+F_{\mathrm{PA}}\left(t_{\mathrm{DT}}\right)\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{offset}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right)+(-{\mathrm{\Δv}}_2)=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right)-F_{\mathrm{PA}}\left(t_{\mathrm{DT}}\right)\end{array}\right.$

其中：

δ(t)＝i_L(t)-i_ref(t)，0≤t≤T^*

$F_{\mathrm{PA}}\left(t\right)=\frac{T^{*}}{2L}(U_p-U_n)[\frac{t}{T^{*}}-{\left(\frac{t}{T^{*}}\right)}^2],0\≤t\≤T^{*}$

U_p：变换器主电路直流侧正母线电压(V)；

U_n：变换器主电路直流侧负母线电压(V)；

T^*：开关周期(s)；

L：变换器主电路输出点与负载或电源之间的串联电感值(H)；

i_L：电感电流(A)；

i_ref：指令电流(A)；

t：时间(s)；

t_DT：死区时间(s)；

Δv₂：偏移量。

图1为采用抛物线电流控制的电压源型逆变器简化电路图。改进的电流误差信号1经过抛物线电流控制器2后输出相应的开关信号3，控制电压源型变换器桥臂4的开关管的开通或者关断，实现电流跟踪控制的目的。

图2示意了不同的电流方向时，同一桥臂的电流流经路径：

1)当输出电流小于0时，如果下桥臂IGBT(Sn)4-2-1开通，则电流强制换流，流经Sn，如果Sn未开通，则电流流经上桥臂附加二极管4-1-2。

2)当输出电流大于0时，如果上桥臂IGBT(Sp)4-1-1开通，则电流强制换流，流经Sp，如果Sp未开通，则电流流经下桥臂附加二极管4-2-2。

图3(a)、(b)为抛物线电流控制的死区时间补偿工作原理图：

1)当输出电流小于0时，原电流误差曲线δ(t)上升部分1-1与抛物线电流控制中正的抛物线F_PA(t)2-1-1的相交点为B，通过采用补偿算法的电流误差曲线的上升部分δ_offset(t)1-1-1，则改进的电流误差曲线1-1-1与2-1-1的相交点移至C，在C时刻关断上桥臂IGBT(S_p)4-1-1，同时清除电流误差曲线的偏移量。设置B点和C点的时间差正好为t_DT，那么电流误差曲线1-1-1将在B时刻改变方向，在B点控制下桥臂IGBT(S_n)4-2-1导通；同时，在下桥臂IGBT(S_n)4-2-1关断时上桥臂4-1立即导通电流，则开关信号S转换的上升沿不需要加入死区时间，即电流误差曲线的下降部分不需要任何调整。

2)当输出电流大于0时，原电流误差曲线δ(τ)下降部分1-2与抛物线电流控制中负的抛物线F_PA(τ)2-1-2的相交点为F，通过采用补偿算法的电流误差曲线的下降部分δ_offset(τ)1-2-1，则改进的电流误差曲线1-2-1与2-1-2的相交点移至E，在E时刻关断下桥臂IGBT(S_n)4-2-1，同时清除电流误差曲线的偏移量。设置F点和E点的时间差正好为t_DT，那么电流误差曲线1-2将在F时刻改变方向，在F点控制上桥臂IGBT(S_p)4-1-1的导通；同时，在上桥臂IGBT(S_p)4-1-1关断时下桥臂4-2立即导通电流，则开关信号S转换的下降沿不需要加入死区时间，即电流误差曲线的上升部分不需要任何调整。

3)在输出电流小于0时，电流误差曲线1-1将在B时刻改变方向，则抛物线电流控制的负的抛物线的起点需要比开关信号3的下降沿延迟t_DT；同样，在电流大于0时，抛物线电流控制的正的抛物线的起点需要比开关信号3的上升沿延迟t_DT。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种抛物线电流控制的死区补偿方法，采用的补偿电路包括依次连接的死区补偿器、抛物线电流控制器、PWM信号发生单元、驱动电路、电压变换器桥臂、电感、负载或电源，死区补偿器连接有方向检测单元、偏移量产生单元，其特征是：其步骤包括：

(1)方向检测单元检测变换器的输出电流方向，判定需要调整电流误差信号的上升或下降部分；偏移量产生单元产生需要的偏移量；

(2)死区补偿器结合输出电流方向和偏移量，对接收的电流误差信号叠加相应的偏移量,生成改进后的电流误差信号；

(3)抛物线电流控制器根据死区补偿器输出的改进后的信号，生成相应的抛物线载波；

(4)对原电流误差信号进行改进，在原电流误差曲线叠加一偏移量，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，设置该提前的时间间隔为死区时间，以抵消死区的影响；

(5)PWM信号发生单元生成相应的PWM开关信号，通过驱动电路驱动变换器桥臂的开关动作。

2.如权利要求1所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：所述步骤(2)中，当输出电流小于0时，原电流误差信号的下降部分起点需要比开关信号的下降沿延迟一个死区时间。

3.如权利要求2所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：当输出电流小于0时，引入电流误差偏移量Δv₂，构成改进后的电流误差信号，即在原电流误差信号的上升部分叠加Δv₂，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则电压源型变换器桥臂的开关管的下管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在下管关断时上管立即导通电流，则开关信号S转换的上升沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的下降部分不需要调整。

4.如权利要求1所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：所述步骤(2)中，当输出电流大于0时，原电流误差信号的上升部分起点需要比开关信号的上升沿延迟一个死区时间。

5.如权利要求4所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：当输出电流大于0时，引入电流误差偏移量-Δv₂，构成改进后的delta信号，即在原电流误差信号的下降部分叠加-Δv₂，使电流误差与抛物线载波的相交时刻提前，并且设置该提前的时间间隔正好为死区时间，则电压源型变换器桥臂的开关管的上管的开关信号提前给出以抵消死区的影响；同时，在上管关断时下管立即导通电流，则开关信号S转换的下降沿不需要加入死区时间，即原电流误差信号的上升部分不需要调整。

6.如权利要求3所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：所述改进后的电流误差信号函数表达式为：δ_offset(t)＝δ(t)+Δv₂＝δ(t)+F_PA(t_DT)，其中，δ(t)＝i_L(t)-i_ref(t)，F_PA(t)＝(T^*/2L)*(U_p-U_n)*[t/T^*-(t/T^*)²]，0≤t≤T^*；i_L为电感电流，i_ref为指令电流，U_p为变换器主电路直流侧正母线电压；U_n为变换器主电路直流侧负母线电压；T^*为开关周期；L为变换器主电路输出点与负载或电源之间的串联电感值；t_DT为死区时间；Δv₂为电流小于0时的电流误差偏移量。

7.如权利要求5所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：所述改进后的delta信号函数信号表达式为：δ_offset(τ)＝δ(τ)+(-Δv₂)＝δ(τ)-F_PA(t_DT)，其中，δ(t)＝i_L(t)-i_REF(t)，F_PA(t)＝(T^*/2L)*(U_p-U_n)*[t/T^*-(t/T^*)²]，0≤t≤T^*；i_L为电感电流，i_REF为指令电流，U_p为变换器主电路直流侧正母线电压；U_n为变换器主电路直流侧负母线电压；T^*为开关周期；L为变换器主电路输出点与负载或电源之间的串联电感值；t_DT为死区时间；-Δv₂为电流大于0时的电流误差偏移量。

8.如权利要求3或5所述的一种抛物线电流控制的死区补偿方法，其特征是：所述偏移量是一个有关于死区时间的直流量，跟时间无关。