CN104362881A - 基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，其技术特点包括以下步骤：采用瞬时电压电流模型计算当前时刻电流；根据两种电压伏秒等效模式分别计算死区补偿时间；将得到的死区补偿时间Tc转化为电压给定附加到三相输出给定电压上，完成死区补偿。本发明设计合理，其通过瞬时电压电流模型计算出采样滞后期间的电流变化量，避免了一般电流采样滞后带来的误差，在一定程度上改善了采样电流准确性和实时性，而且，通过精准的补偿将输出电压和理论电压保持一致，更好地改善了电机的谐波电流，减少了转矩脉动，同时与硬件补偿方法相比，无需额外添加硬件检测电路，节省制造成本。

Description

基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法

技术领域

本发明属于变频器技术领域，尤其是一种基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法。

背景技术

在设计逆变器时，电力电子功率器件常采用MOSFET、IGBT、IGCT等(简称开关管)，为防止开关管上下桥臂出现直通，通常需设置一个死区时间以延迟开关管的导通。但使，死区时间在逆变器输出电流的作用下，会使实际输出电压与给定电压产生偏差，从而导致输出电流波形发生畸变和电机的转矩脉动，在输出电压较低时这种影响最为严重。

现有死区补偿方法大体分为硬件补偿和软件补偿两类。硬件补偿大体分为电压检测补偿和电流极性检测补偿：电压检测通过实时采集到的输出电压与给定进行比较，将误差反馈到给定通道进行补偿；电流检测通过硬件电路实时检测电流极性，判断补偿电压，由于硬件补偿方法需要额外的硬件电路，使成本增加，所以在实际中比较少见。软件补偿大体上分为两种：(1)通过计算需要补偿的电压平均值进行补偿，该方法简单易行，但对于电流过零点附近的补偿效果不佳；(2)通过在每个PWM周期内采集电流极性实时对输出电压进行补偿，补偿效果取决于电流采样的准确性和实时性，若电流检测不准或滞后时间过长则导致补偿不准，使死区影响加重。例如，中国专利00122378.X名称为“变频器的死区补偿方法”中公开了一种通过电流矢量变化估测电流过零点的方法；文献(孙昌志，逆变器死区时间对异步电机转矩脉动影响及消弱办法)提出常用的逆变器死区补偿方法。但是，这些方法都没有考虑采样延时和电流过零点处给逆变器死区补偿带来的影响，其采样一般电流采样方法，若采样时间过长，虽然滤除了噪声和毛刺，但滞后时间长，不能反映当前电流实际值，若采样时间过短，虽然能较好的贴近当前电流值，但是无法避免毛刺和噪声的影响，影响了采样电流准确性和实时性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、实时性强且准确性高的基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、采用瞬时电压电流模型计算当前时刻电流；

步骤2、根据两种电压伏秒等效模式分别计算死区补偿时间；

步骤3、将得到的死区补偿时间转化为电压给定附加到三相输出给定电压上，完成死区补偿。

而且，所述当前时刻电流的计算方法为：

I＝Ix+(UxT-Ix*Rs-ωψx-Ucom)*dT/Lo’

其中，Ix为逆变器输出电流瞬时采样值，UxT为逆变器出口处的电压，Lo’＝(Lso+Lro)*Lm/Lr，Lso为定子漏抗，Lro为转子漏抗，ωψx为由转子磁场感应出的定子侧相电压，Ucom为电机公共点处共模电压，dT为采样等效延时，x＝a,b,c。

而且，所述死区补偿时间Tc按以下方法计算：

(1)当CB＝1，I′_A≥0或CB＝0，I′_A<0时

T_c＝T_d+T_on

(2)当CB＝1，I′_A<0或CB＝0，I′_A≥0时

T₁＝C*U_dc/I′_A

若T₁>T′_d，

若T₁≤T′_d，T₂＝T₁/2

补偿时间T_c＝T_off+T₂；

其中，Td为硬件设定的死区时间，T′_d为实际死区时间，T′_d＝T_d+T_on-T_off，Ton为上管开通延时,Toff为开关管关断延时,C为功率管结电容和等效分布电容值，CB＝1表示三角形载波下降段，CB＝0表示三角形载波上升段，I′_A为计算出的当前实际电流。

本发明的优点和积极效果是：

1、本方法通过瞬时电压电流模型计算出采样滞后期间的电流变化量，相比于一般电流采样方法，避免了一般电流采样滞后带来的误差，在一定程度上改善了采样电流准确性和实时性。

2、本方法在电流过零点处做精细化补偿，通过精准的补偿将输出电压和理论电压保持一致，相比其他方法，更好地改善了电机的谐波电流，减少了转矩脉动。

3、本方法与硬件补偿方法相比，无需额外添加硬件检测电路，节省制造成本。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是变频器驱动电机的电气原理图；

图3是异步电机等效原理图；

图4是本发明死区补偿原理图；

图5是电压伏秒等效模式1的原理图；

图6是电压伏秒等效模式2的原理图；

图7是没加死区补偿前的电流波形；

图8是采用本发明进行死区补偿后的电流波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、采用瞬时电压电流模型计算当前时刻电流。

图2给出了变频器驱动电机的电气原理图，其中电机部分模型可以等效转换为图3。根据该电机模型，则有瞬时电压公式如下：

$U_{x0}=I_x*R_s+{L_o}^{\&prime;}*\frac{{\mathrm{dI}}_x}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\&omega;\&psi;}}_x+U_{\mathrm{com}}---\left(1\right)$

其中L_o′＝(L_so+L_ro)*L_m/L_r，L_r为转子电感，L_r＝L_m+L_ro，ωψ_x为由转子磁场感应出的定子侧相电压(用电压模型算出的磁链乘以同步角速度)，(x＝A,B,C)。

若x相上管导通，则U_x0＝+U_dc/2；

若x相下管导通，则U_x0＝-U_dc/2。

电机公共点处共模电压为：

$U_{\mathrm{com}}=\frac{U_{A0}+U_{B0}+U_{C0}}{3}---\left(2\right)$

由式(1)可得：

ΔI_x＝(U_x0-I_x*R_s-ωψ_x-U_com)*ΔT/L_o′  (3)

其中ΔT为采样等效延时。在采样频率比较高时，ΔI_x等效为式(1)中的dI_x，ΔT等效为式(1)中的dt。

式(1)～(3)中，反电势ωψ_x可根据矢量控制电压模型算出，U_com可根据当前开关状态确定,那么当前时刻实际电流I′_x＝I_x+ΔI_x，并根据I′_x电流极性、电流幅值和逆变器开关状态计算补偿时间。

以A相为例：

定义Td为硬件设定的死区时间，Ton为开关管开通延时，Toff为开关管关断延时，C为功率管结电容和等效分布电容值，Tc为死区补偿时间。T′_d为实际死区时间，T′_d＝T_d+T_on-T_off，T₁为充放电时间。

步骤2、根据两种电压伏秒等效模式分别计算死区补偿时间。

如下图4给出的死区补偿原理图，定义三角形载波下降段为CB＝1，上升段为CB＝0，S1是上管、S2是下管，电流流出为正。

死区补偿为以下4种情况：

1、当CB＝1，I′_A≥0时

当下管V₂关断后，电流由D₂续流，输出电压依然保持为－U_dc/2，经过死区时间T_d和开通延时T_on时间后，上管V₁才实际导通，因此补偿时间T_c＝T_d+T_on。

2、当CB＝1，I′_A<0时

T₁＝-C*U_dc/I′_A，若T₁>T′_d，使图5左侧部分中三角形阴影部分与梯形阴影部分面积相等可得：

$T_2=T_d^{\&prime;}*[1-\frac{T_d^{\&prime;}}{2*T_1}];$

若T₁≤T′_d，如图5右侧部分所示，同理可得：T₂＝T₁/2。

因为理想情况下电压应在t₀时刻从-U_dc/2上升到+U_dc/2，而实际情况如图5所示，电压存在逐渐上升的过程，从而实际电压可等效为在t_c时刻从-U_dc/2上升到+U_dc/2，所以补偿时间T_c＝T_off+T₂。

3、CB＝0，I′_A<0

当上管V₁关断后，电流由D₁续流，输出电压依然保持为U_dc/2，经过死区时间T_d和开通延时T_on时间后，下管V₂才实际导通，因此补偿时间T_c＝T_d+T_on。

4、CB＝0，I′_A≥0

T₁＝C*U_dc/I′_A，若T₁>T′_d，使图6左侧部分中三角形阴影部分与梯形阴影部分面积相等可得：

$T_2=T_d^{\&prime;}*[1-\frac{T_d^{\&prime;}}{2*T_1}];$

若T₁≤T′_d，如图6右侧部分所示，同理可得：

T₂＝T₁/2。

因为理想情况下电压应在t₀时刻从+U_dc/2下降到–U_dc/2，而实际情况如图6所示，电压存在逐渐下降的过程，从而实际电压可等效为在t_c时刻从+U_dc/2下降到–U_dc/2，所以补偿时间T_c＝T_off+T₂。

步骤3、将得到的死区补偿时间Tc转化为电压给定附加到三相输出给定电压上，完成死区补偿。

为验证本发明的有效性，采用dsp芯片TMS320F28346和fpga芯片EP4CE40的控制板在630kw逆变器上进行了相关实验。电机参数PN＝160KW,UN＝380V,IN＝286.2A,Fn＝50HZ。采用三角接法SPWM控制，载波频率2.5Khz,死区时间为5us。

首先,根据电压电流公式：

$U_{x0}=I_x*R_s+{L_o}^{\&prime;}*\frac{{\mathrm{dI}}_x}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\&omega;\&psi;}}_x+U_{\mathrm{com}}$

分别实时计算出采样时间内三相电流变化量ΔI_x＝(U_x0-I_x*R_s-ωψ_x-U_com)*ΔT/L_o′，从而得到当前实际三相电流I′_x＝I_x+ΔI_x(x＝a,b,c)。

然后，根据不同模块式分别计算死区补偿时间：

1、当CB＝1，I′_A≥0或CB＝0，I′_A<0时，补偿时间为：

T_c＝T_d+T_on

2、当CB＝1，I′_A<0或CB＝0，I′_A≥0时

T₁＝C*U_dc/I′_A

若T₁＞T′_d， $T_2=T_d^{\&prime;}*[1-\frac{T_d^{\&prime;}}{2*T_1}];$

若T₁≤T′_d，T₂＝T₁/2

补偿时间为：T_c＝T_off+T₂。

最后，将得到的死区补偿时间Tc转化为电压给定附加到三相输出给定电压上，完成死区补偿。

图7为电机工作在50％负载、2.5Hz下无死区补偿的电流波形，图8为采用本发明进行死区补偿后的电流波形，通过对比可以看出，采用本发明的补偿方法后，低频下电流波形得到明显改善。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、采用瞬时电压电流模型计算当前时刻电流；

步骤2、根据两种电压伏秒等效模式分别计算死区补偿时间；

步骤3、将得到的死区补偿时间转化为电压给定附加到三相输出给定电压上，完成死区补偿。

2.根据权利要求1所属的基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，其特征在于：所述当前时刻电流I的计算方法为：

I＝Ix+(UxT-Ix*Rs-ωψx-Ucom)*dT/Lo’

其中，Ix为逆变器输出电流瞬时采样值，UxT为逆变器出口处的电压，Lo’＝(Lso+Lro)*Lm/Lr，Lso为定子漏抗，Lro为转子漏抗，ωψx为由转子磁场感应出的定子侧相电压，Ucom为电机公共点处共模电压，dT为采样等效延时，x＝a,b,c。

3.根据权利要求1所属的基于瞬时电流和精细化电压补偿的死区补偿方法，其特征在于：所述死区补偿时间Tc按以下方法计算：

(1)当CB＝1，I′_A≥0或CB＝0，I′_A＜0时

T_c＝T_d+T_on

(2)当CB＝1，I′_A＜0或CB＝0，I′_A≥0时

T₁＝C^*U_dc/I′_A

若T₁>T′_d， $T_2=T_d^{\&prime;}*[1-\frac{T_d^{*}}{2*T_1}]$

若T₁≤T′_d，T₂＝T₁/₂

补偿时间T_c＝T_off+T₂；

其中，Td为硬件设定的死区时间，T′_d为实际死区时间，T′_d＝T_d+T_on-T_off，Ton为上管开通延时,Toff为开关管关断延时,C为功率管结电容和等效分布电容值，CB＝1表示三角形载波下降段，CB＝0表示三角形载波上升段，I′_A为计算出的当前实际电流。