CN104506071B - 双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法 - Google Patents

双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法 Download PDF

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Abstract

双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，属于逆变器控制技术领域。本发明是为了解决共直流母线双逆变器开关信号切换时，由于死区时间的加入，导致系统存在零序电压，从而影响系统性能的问题。它建立在采用不产生零序电压开关组合进行SVPWM调制的基础上，所述抑制方法首先通过电压传感器采集双逆变器的三相电压信号，所述三相电压信号为经RC低通滤波后的三相电压信号；然后对三相电压信号进行处理，获得系统零序电压；再根据系统零电压进行死区补偿计算，获得补偿电压矢量，使补偿电压矢量产生的零序电压抵消所述系统零序电压，实现对系统零序电压的抑制。本发明用于抑制双逆变器开关死区导致的零序电压。

Description

双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法
技术领域
本发明涉及双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，属于逆变器控制技术领域。
背景技术
开放式绕组交流电机的驱动系统采用双逆变器供电，与采用单端供电的星形连接绕组交流电机的驱动系统相比，开放式绕组交流电机的驱动系统性能得到提升。按照双逆变器的直流母线是否并联，将双逆变器分为共直流母线双逆变器和隔离直流母线双逆变器。其中共直流母线双逆变器的母线并联在一起并由一个直流电源供电，具有结构简单的优势，但由于电机三相绕组电流之和未被钳位到零，使系统存在潜在的零序电压和零序电流问题。
共直流母线双逆变器共有64种开关状态，其中有22个开关状态不产生零序电压，若仅采用不产生零序电压的开关状态进行SVPWM调制，从理论上将可以完全消除零序电压。但由于功率管存在一定的开通和关断时间，就要求同一桥臂上的开关信号切换时应插入死区，以防止直通损坏器件。正是由于死区时间的加入，导致双逆变器系统存在零序电压，从而引起零序电流，影响系统的性能。
发明内容
本发明目的是为了解决共直流母线双逆变器开关信号切换时，由于死区时间的加入，导致系统存在零序电压，从而影响系统性能的问题，提供了一种双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法。
本发明所述双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，该抑制方法建立在采用不产生零序电压开关组合进行SVPWM调制的基础上，所述抑制方法首先通过电压传感器采集双逆变器的三相电压信号，所述三相电压信号为经RC低通滤波后的三相电压信号；然后对三相电压信号进行处理，获得系统零序电压；再根据系统零电压进行死区补偿计算，获得补偿电压矢量，使补偿电压矢量产生的零序电压抵消所述系统零序电压，实现对系统零序电压的抑制。
所述系统零序电压的获得方法为：将电压传感器采集获得的双逆变器的三相电压信号通过运算放大电路进行求和计算，计算的结果通过模数转换器转换为数字量的系统零序电压。
所述补偿电压矢量的获得方法为：
首先对系统零序电压极性取反，获得补偿电压矢量产生的零序电压的极性；
然后根据补偿电压矢量产生的零序电压的极性及给定参考电压矢量U*所在的扇区，确定补偿电压矢量的开关组合；
再通过增加具有最大占空比的两路开关信号中的其中一路开关信号的导通时间，使该路开关信号的导通时间增加为2倍死区时间，从而获得作用时间为2倍死区时间的补偿电压矢量。
在双逆变器输出的电压矢量空间分布图中形成的三个以原点为中心的六边形中，处于中间的六边形分为I～VI共6个扇区，给定参考电压矢量U*由其所在6个扇区的一个扇区中的两个边界矢量合成获得。
对系统零序电压进行抑制的具体实现方法为：
采用扇区判断模块判断给定参考电压矢量U*所在的扇区：将给定参考电压矢量U*的α轴分量和β轴分量变换到abc坐标系下：
式中为给定参考电压矢量U*的a轴分量，给定参考电压矢量U*的b轴分量，为给定参考电压矢量U*的c轴分量；
然后定义变量：
再根据S值，确定给定参考电压矢量U*所在的扇区；
所述S值通过下式获得：
S＝A+2B+4C；
根据S值查表得到U*的扇区号：
扇区 I II III IV V VI
S值 1 3 2 6 4 5
作用时间计算模块用于计算合成给定参考电压矢量U*的两个边界矢量的作用时间；定义三个中间变量X、Y和Z：
其中Udc为双逆变器的直流母线电压，T为开关周期；
所述两个边界矢量的作用时间T1和T2由上述三个中间变量X、Y和Z中的两个来表示，T1和T2为按逆时针顺序相邻的两个边界矢量的作用时间；
确定电压矢量及其作用时间模块用于根据扇区判断模块得到的给定参考电压矢量U*的扇区号，并结合三个中间变量X、Y和Z，确定U*所在扇区的两个边界矢量及该两个边界矢量的作用时间T1和T2，一个开关周期T内的剩余时间用T0来表示，则剩余时间T0＝T-T1-T2，由零矢量补充；T1和T2按下表确定：
扇区 I II III IV V VI
T1 Z X Y –Z –X –Y
T2 Y –Z –X –Y Z X
采用确定开关时序和占空比模块根据给定参考电压矢量U*所在扇区和两个边界电压矢量的作用时间，确定各路开关信号的开关时序，并计算各路开关信号的占空比：
一、首先定义中间变量如下：
二、然后根据两个边界电压矢量的作用时间，获得导通时间补偿：
设系统零序电压为u0：
式中ua1a2为双逆变器的A相电压、ub1b2为双逆变器的B相电压、uc1c2为双逆变器的C相电压；
设Dcomp1为当系统零序电压为正值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，Dcomp2为当系统零序电压为负值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，on1comp1为补偿Dcomp1后的导通时间，on1comp2为补偿Dcomp2后的导通时间，则：
当u0>0，Dcomp1＝2*TD；否则Dcomp1＝0；
当u0<0，Dcomp2＝2*TD；否则Dcomp2＝0；
on1comp1＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp1；
on1comp2＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp2；
其中TD为开关死区时间；
三、获得各路开关信号的导通时间如下表：
导通时间 I II III IV V VI
Ta1 on1comp2 Ton2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp2
Tb1 Ton3 on1comp2 on1comp2 Ton2 Ton4 Ton4
Tc1 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp2 on1comp2 Ton2
Ta2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp1 on1comp1 Ton2
Tb2 on1comp1 Ton2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp1
Tc2 Ton3 on1comp1 on1comp1 Ton2 Ton4 Ton4
表中Ta1，Tb1，Tc1分别对应双逆变器中一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间，Ta2，Tb2，Tc2分别对应双逆变器中另一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间；
四、由导通时间Ta1，Tb1，Tc1，Ta2，Tb2，Tc2除以开关周期T，获得相应上管的占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2；
PWM产生模块根据占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2，获得各路相应的调制波，并与三角波模块产生的三角载波相比较，在原控制开关信号中插入死区时间后得到相应的开关信号S1～S12。
所述三角载波由DSP的定时器Timer1和Timer3同步增减计数获得，Timer1用于开关信号S1～S6的调制，Timer3用于开关信号S7～S12的调制。
本发明的优点：本发明提出一种双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，由于双逆变器在采用不产生零序电压的开关组合进行空间矢量脉宽调制SVPWM时，开关信号死区的存在会引入零序电压从而导致系统的零序电流，本发明在所述空间矢量脉宽调制SVPWM的基础上，通过增加零序电压检测和死区补偿算法，再通过调整开关波形占空比来插入一个补偿电压矢量，使该补偿电压矢量产生的零序电压与开关死区导致零序电压幅值相等方向相反，二者相互抵消，从而抑制系统的零序电压和零序电流。
本发明方法结合给定参考电压矢量所在扇区，通过扩展占空比最大的一路开关信号的导通时间，来插入一个补偿电压矢量，利用补偿电压矢量产生的零序电压抵消开关死区导致的零序电压，实施方法简单，对系统零序电压的抑制效果明显。
附图说明
图1是本发明所述双逆变器供电的开放式绕组交流电机系统拓扑图；图中1为二极管整流器、2为直流滤波电容、3为逆变器I、4为逆变器II，逆变器I和逆变器II构成共直流母线双逆变器，5为开放式绕组交流电机；
图2是双逆变器输出的电压矢量空间分布图，双逆变器共有64种开关组合，产生19个空间电压矢量，形成三个以原点为中心的六边形ABCDEF、HJLNQS和GIKMPR，根据SVPWM调制原理这三个六边形上的电压矢量可以用于合成参考电压矢量；
图3是采用不产生零序电压开关状态的SVPWM合成原理图，由于在三个六边形ABCDEF、HJLNQS和GIKMPR中，只有六边形HJLNQS上的电压矢量和部分零矢量不产生零序电压，因此仅利用这些矢量进行SVPWM调制将不会给系统带来零序电压；六边形HJLNQS分为I～VI共6个扇区，参考矢量U*由其所在扇区的两个边界矢量进行合成；例如，在第I扇区中U*由矢量OS和OH合成；
图4是为本发明抑制方法中带开关死区补偿的SVPWM算法原理框图；其中零序电压检测模块10用于零序电压的检测，死区补偿计算模块11用于补偿电压矢量的获得；
图5至图10是根据给定参考电压矢量U*所在扇区和两个边界电压矢量的作用时间，确定的各路开关信号的开关时序图；图5至图10分别顺序对应扇区Ⅰ至扇区VI中各路开关信号的开关时序图；图中PWM1～PWM12分别一一对应于开关信号S1～S12；
图11是未采用本发明方法进行死区补偿前扇区I的开关时序及零序电压图；
图12是采用本发明方法进行死区补偿后扇区I的开关时序及零序电压图；
图13是图4中零序电压检测模块10的原理框图；
图14是采用本发明方法进行死区补偿策略前后电机三相电压和零序电压的仿真波形图；
图15是为采用本发明的死区补偿策略前后电机三相电流和零序电流的仿真波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式所述双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，该抑制方法建立在采用不产生零序电压开关组合进行SVPWM调制的基础上，所述抑制方法首先通过电压传感器采集双逆变器的三相电压信号，所述三相电压信号为经RC低通滤波后的三相电压信号；然后对三相电压信号进行处理，获得系统零序电压；再根据系统零电压进行死区补偿计算，获得补偿电压矢量，使补偿电压矢量产生的零序电压抵消所述系统零序电压，实现对系统零序电压的抑制。
本实施方式通过插入产生相反方向零序电压的补偿电压矢量来抵消死区产生的零序电压，达到抑制系统零序电压和零序电流的目的。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述系统零序电压的获得方法为：将电压传感器采集获得的双逆变器的三相电压信号通过运算放大电路进行求和计算，计算的结果通过模数转换器转换为数字量的系统零序电压。
本实施方式求和结果的转换可通过DSP的A/D实现，将模拟量转换为数字量。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述补偿电压矢量的获得方法为：
首先对系统零序电压极性取反，获得补偿电压矢量产生的零序电压的极性；
然后根据补偿电压矢量产生的零序电压的极性及给定参考电压矢量U*所在的扇区，确定补偿电压矢量的开关组合；
再通过增加具有最大占空比的两路开关信号中的其中一路开关信号的导通时间，使该路开关信号的导通时间增加为2倍死区时间，从而获得作用时间为2倍死区时间的补偿电压矢量。
本实施方式获得的补偿电压矢量产生的零序电压能够抵消原有的系统零序电压。
具体实施方式四：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，在双逆变器输出的电压矢量空间分布图中形成的三个以原点为中心的六边形中，处于中间的六边形分为I～VI共6个扇区，给定参考电压矢量U*由其所在6个扇区的一个扇区中的两个边界矢量合成获得。
具体实施方式五：下面结合图1和图15说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，对系统零序电压进行抑制的具体实现方法为：
采用扇区判断模块6判断给定参考电压矢量U*所在的扇区：将给定参考电压矢量U*的α轴分量和β轴分量变换到abc坐标系下：
式中为给定参考电压矢量U*的a轴分量，给定参考电压矢量U*的b轴分量，为给定参考电压矢量U*的c轴分量；
然后定义变量：
再根据S值，确定给定参考电压矢量U*所在的扇区；
所述S值通过下式获得：
S＝A+2B+4C；
根据S值查表得到U*的扇区号：
扇区 I II III IV V VI
S值 1 3 2 6 4 5
作用时间计算模块7用于计算合成给定参考电压矢量U*的两个边界矢量的作用时间；定义三个中间变量X、Y和Z：
其中Udc为双逆变器的直流母线电压，T为开关周期；
所述两个边界矢量的作用时间T1和T2由上述三个中间变量X、Y和Z中的两个来表示，T1和T2为按逆时针顺序相邻的两个边界矢量的作用时间；
确定电压矢量及其作用时间模块8用于根据扇区判断模块6得到的给定参考电压矢量U*的扇区号，并结合三个中间变量X、Y和Z，确定U*所在扇区的两个边界矢量及该两个边界矢量的作用时间T1和T2，一个开关周期T内的剩余时间用T0来表示，则剩余时间T0＝T-T1-T2，由零矢量补充；T1和T2按下表确定：
扇区 I II III IV V VI
T1 Z X Y –Z –X –Y
T2 Y –Z –X –Y Z X
采用确定开关时序和占空比模块9根据给定参考电压矢量U*所在扇区和两个边界电压矢量的作用时间，确定各路开关信号的开关时序，并计算各路开关信号的占空比：
一、首先定义中间变量如下：
二、然后根据两个边界电压矢量的作用时间，获得导通时间补偿：
设系统零序电压为u0：
式中ua1a2为双逆变器的A相电压、ub1b2为双逆变器的B相电压、uc1c2为双逆变器的C相电压；
设Dcomp1为当系统零序电压为正值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，Dcomp2为当系统零序电压为负值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，on1comp1为补偿Dcomp1后的导通时间，on1comp2为补偿Dcomp2后的导通时间，则：
当u0>0，Dcomp1＝2*TD；否则Dcomp1＝0；
当u0<0，Dcomp2＝2*TD；否则Dcomp2＝0；
on1comp1＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp1；
on1comp2＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp2；
其中TD为开关死区时间；
三、获得各路开关信号的导通时间如下表：
导通时间 I II III IV V VI
Ta1 on1comp2 Ton2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp2
Tb1 Ton3 on1comp2 on1comp2 Ton2 Ton4 Ton4
Tc1 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp2 on1comp2 Ton2
Ta2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp1 on1comp1 Ton2
Tb2 on1comp1 Ton2 Ton4 Ton4 Ton3 on1comp1
Tc2 Ton3 on1comp1 on1comp1 Ton2 Ton4 Ton4
表中Ta1，Tb1，Tc1分别对应双逆变器中一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间，Ta2，Tb2，Tc2分别对应双逆变器中另一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间；
四、由导通时间Ta1，Tb1，Tc1，Ta2，Tb2，Tc2除以开关周期T，获得相应上管的占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2；
PWM产生模块12根据占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2，获得各路相应的调制波，并与三角波模块13产生的三角载波相比较，在原控制开关信号中插入死区时间后得到相应的开关信号S1～S12。
本实施方式的具体实施可采用DSP实现。
图11中，假设ia>0、ib<0、ic<0，可见一个开关周期内产生了两段时间为死区时间TD、值为Udc/3的零序电压。
图12对应于图11，加入死区补偿策略后，出现了两段补偿电压矢量，该补偿电压矢量产生了两段–Udc/3的零序电压，抵消了原来的零序电压Udc/3，使系统在一个开关周期内的平均零序电压为零，从而实现系统零序电压和零序电流的抑制。采用本发明的开关死区补偿策略后，对于其他电流流通模式和扇区也有类似的结论。
由图14和图15的仿真波形来看，死区补偿前系统存在零序电压和零序电流，死区补偿后系统的零序电压和零序电流得到了有效抑制。
具体实施方式六：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述三角载波由DSP的定时器Timer1和Timer3同步增减计数获得，Timer1用于开关信号S1～S6的调制，Timer3用于开关信号S7～S12的调制。
本实施方式中DSP的定时器Timer1和定时器Timer3同步增减计数能够产生三角载波，最终获得的开关信号S1～S12通过DSP的PWM1～PWM12引脚输出。

Claims (4)

1.一种双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，该抑制方法建立在采用不产生零序电压开关组合进行SVPWM调制的基础上，所述抑制方法首先通过电压传感器采集双逆变器的三相电压信号，所述三相电压信号为经RC低通滤波后的三相电压信号；然后对三相电压信号进行处理，获得系统零序电压；再根据系统零序电压进行死区补偿计算，获得补偿电压矢量，使补偿电压矢量产生的零序电压抵消所述系统零序电压，实现对系统零序电压的抑制；
所述系统零序电压的获得方法为：将电压传感器采集获得的双逆变器的三相电压信号通过运算放大电路进行求和计算，计算的结果通过模数转换器转换为数字量的系统零序电压；
其特征在于，所述补偿电压矢量的获得方法为：
首先对系统零序电压极性取反，获得补偿电压矢量产生的零序电压的极性；
然后根据补偿电压矢量产生的零序电压的极性及给定参考电压矢量U＊所在的扇区，确定补偿电压矢量的开关组合；
再通过增加具有最大占空比的两路开关信号中的其中一路开关信号的导通时间，使该路开关信号的导通时间增加为2倍死区时间，从而获得作用时间为2倍死区时间的补偿电压矢量。
2.根据权利要求1所述的双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，其特征在于，在双逆变器输出的电压矢量空间分布图中形成的三个以原点为中心的六边形中，处于中间的六边形分为I～VI共6个扇区，给定参考电压矢量U＊由其所在6个扇区的一个扇区中的两个边界矢量合成获得。
3.根据权利要求2所述的双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，其特征在于，对系统零序电压进行抑制的具体实现方法为：
采用扇区判断模块(6)判断给定参考电压矢量U＊所在的扇区：将给定参考电压矢量U＊的α轴分量和β轴分量变换到abc坐标系下：
u a * = u &alpha; * u b * = ( - u &alpha; * + 3 u &beta; * ) / 2 u c * = - ( u &alpha; * + 3 u &beta; * ) / 2 ,
式中为给定参考电压矢量U＊的a轴分量，给定参考电压矢量U＊的b轴分量，为给定参考电压矢量U＊的c轴分量；
然后定义变量：
再根据S值，确定给定参考电压矢量U＊所在的扇区；
所述S值通过下式获得：
S＝A+2B+4C；
根据S值查表得到U＊的扇区号：
作用时间计算模块(7)用于计算合成给定参考电压矢量U＊的两个边界矢量的作用时间；定义三个中间变量X、Y和Z：
其中Udc为双逆变器的直流母线电压，T为开关周期；
所述两个边界矢量的作用时间T1和T2由上述三个中间变量X、Y和Z中的两个来表示，T1和T2为按逆时针顺序相邻的两个边界矢量的作用时间；
确定电压矢量及其作用时间模块(8)用于根据扇区判断模块(6)得到的给定参考电压矢量U＊的扇区号，并结合三个中间变量X、Y和Z，确定U＊所在扇区的两个边界矢量及该两个边界矢量的作用时间T1和T2，一个开关周期T内的剩余时间用T0来表示，则剩余时间T0＝T-T1-T2，由零矢量补充；T1和T2按下表确定：
采用确定开关时序和占空比模块(9)根据给定参考电压矢量U＊所在扇区和两个边界电压矢量的作用时间，确定各路开关信号的开关时序，并计算各路开关信号的占空比：
一、首先定义中间变量如下：
T o n 1 = T 1 + T 2 + T 0 / 2 T o n 2 = T 1 + T 0 / 2 T o n 3 = T 2 + T 0 / 2 T o n 4 = T 0 / 2 ;
二、然后根据两个边界电压矢量的作用时间，获得导通时间补偿：
设系统零序电压为u0：
u 0 = 1 3 ( u a 1 a 2 + u b 1 b 2 + u c 1 c 2 ) ;
式中ua1a2为双逆变器的A相电压、ub1b2为双逆变器的B相电压、uc1c2为双逆变器的C相电压；
设Dcomp1为当系统零序电压为正值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，Dcomp2为当系统零序电压为负值时具有最大占空比的一路开关信号导通时间的补偿量，on1comp1为补偿Dcomp1后的导通时间，on1comp2为补偿Dcomp2后的导通时间，则：
当u0＞0，Dcomp1＝2*TD；否则Dcomp1＝0；
当u0＜0，Dcomp2＝2*TD；否则Dcomp2＝0；
on1comp1＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp1；
on1comp2＝T1+T2+0.5*T0+Dcomp2；
其中TD为开关死区时间；
三、获得各路开关信号的导通时间如下表：
表中Ta1，Tb1，Tc1分别对应双逆变器中一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间，Ta2，Tb2，Tc2分别对应双逆变器中另一个逆变器的三相桥臂的上管导通时间；
四、由导通时间Ta1，Tb1，Tc1，Ta2，Tb2，Tc2除以开关周期T，获得相应上管的占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2；
PWM产生模块(12)根据占空比Da1，Db1，Dc1，Da2，Db2，Dc2，获得各路相应的调制波，并与三角波模块(13)产生的三角载波相比较，在原控制开关信号中插入死区时间后得到相应的开关信号S1～S12。
4.根据权利要求3所述的双逆变器开关死区导致零序电压的抑制方法，其特征在于，所述三角载波由DSP的定时器Timer1和Timer3同步增减计数获得，Timer1用于开关信号S1～S6的调制，Timer3用于开关信号S7～S12的调制。
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