CN104716861B - 变频器的死区补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提出一种变频器的死区补偿方法，包括如下的步骤：开关切换时间设置步骤，依据三相逆变电路中的开关管的导通或者关断状态，在一个采样周期中设置数个开关切换时间，该数个开关切换时间结合开关管的开关延时和死区延时。电压图获取步骤，根据开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值。电压计算步骤，根据开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值。开关切换时间计算步骤，根据电压图、最大值、中间值和最小值，在实际采样周期中确定每一个开关切换时间的实际时间。本发明能使得补偿更加及时精确。

Description

变频器的死区补偿方法
技术领域
本发明涉及电气传动技术，更具体地说，涉及变频器的控制技术。
背景技术
变频器是电气传动技术中的一个关键部件，变频器在实际的使用过程中存在死区时间。死区时间的存在不仅使输出电压降低、电流波形失真、电机转矩脉动，更严重的是它将引起电机振荡。如何对死区效应进行有效补偿，已成为高性能驱动系统中必须解决的关键课题。
现有死区补偿的基本方法主要是电压反馈或电流反馈，多存在时间上的滞后，在补偿死区时间引起的电压偏差不具有瞬时性，补偿的值是经过平均值计算之后的，存在一定的误差，实时性较差。
例如，申请号为CN200910214150.1，题为“一种用于变频器上的死区补偿方法”的专利申请揭示了一种用于变频器上的死区补偿方法。一种用于变频器上的死区补偿方法，变频器采用的电压信号为二相静止坐标系电压信号，所述方法包括：(1)把二相静止坐标系电流Iα、Iβ转变为三相静止坐标系电流IA、IB、IC；(2)分别对三相电压中的各相电压根据电流方向进行死区补偿；(3)对补偿后的电压，从三相静止坐标系电流IA、IB、IC转变为二相静止坐标系电流Iα、Iβ。
申请号为CN201010566483.3，题为“一种基于DSP控制器的死区补偿方法”的专利申请揭示了一种基于DSP控制器的死区补偿方法，其包括：首先对DSP芯片进行配置，使得周期中断中计算的比较值在定时器回零后起作用，而在下溢中断计算的比较值在定时器达到周期值后起作用；然后判断相电流的方向，并计算理想驱动波形的开通点t1和关断点t2；最后根据相电流的方向对比较寄存器进行移位处理。
申请号为CN201010520458.1，题为“一种通用变频器死区补偿方法”的专利申请揭示了一种通用变频器死区补偿方法，该方法包括如下步骤：(1)采集电机的三相电流信号IU、IV、IW并采用硬件滤波和送入数字信号处理器中进行数字滤波；(2)根据所检测电流的大小及正负对补偿的大小进行线性处理，即当一相电流为正向时，对应该相电流逆变桥的上桥臂Qx的开通时间相应地增加一个死区时间，而对应该相电流逆变桥的下桥臂Qy的开通时间相应地减少一个死区时间；当该相电流为负向时，对应该相电流逆变桥的上桥臂Qx的开通时间相应地减少一个死区时间，而对应该相电流逆变桥的下桥臂Qy的开通时间相应地增加一个死区时间。
上述的几种补偿方式中，均存补偿不具有瞬时性和补偿值是基于平均值因而存在误差的缺陷。
发明内容
本发明旨在提出一种基于最大值－中间值－最小值的死区补偿方法，免去复杂的计算，以提高补偿的实时性。
根据本发明的一实施例，提出一种变频器的死区补偿方法，包括如下的步骤：
开关切换时间设置步骤，依据三相逆变电路中的开关管的导通或者关断状态，在一个采样周期中设置数个开关切换时间，该数个开关切换时间结合开关管的开关延时和死区延时；
电压图获取步骤，根据开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值；
电压计算步骤，根据开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值；
开关切换时间计算步骤，根据电压图、最大值、中间值和最小值，在实际采样周期中确定每一个开关切换时间的实际时间。
在一个实施例中，电压图获取步骤中，电压图中在每一个开关切换时间中电压为定值，该定值为以下之一：±Vo1’、±Vo2’或者0，其中Vo1’为修正母线电压Vdc’的1/3，Vo2’为修正母线电压Vdc’的2/3，所述修正母线电压Vdc’是基于直流母线电压Vdc的修正电压，对由于开关管和二极管的压降进行修正。
在一个实施例中，最大值、中间值和最小值的计算方法为：各个开关切换时间中电压的定值的加权平均值。
在一个实施例中，一个采样周期包括两个对称的子周期，每一个子周期中的开关切换时间互相对称，两个子周期中中间相的电流极性相反。
在一个实施例中，开关管的开关延时包括上升延时和下降延时。
在一个实施例中，三相逆变电路包括六个开关管以及对应的六个二极管。
在一个实施例中，数个开关切换时间包括：零电压矢量时间T0、第一非零电压矢量时间T1和第二非零电压矢量时间T2。
零电压矢量时间T0期间，所有的六个开关管全部导通或者全部关断。
第一非零电压矢量时间T1期间，两个开关管导通，四个开关管关断。
第二非零电压矢量时间T2期间，四个开关管导通，两个开关管关断。
本发明的变频器的死区补偿方法直接应用电压的最大值、中间值和最小值对死区时间进行补偿，避免了复杂的算法，使得补偿更加及时精确，能有效补偿由于死区时间引起的输出电压偏差，改善输出电压的波形，提高电压利用率，减少输出谐波含量，适用于三相电压源逆变电路中。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示应用本发明的方法的变频器中的三相逆变电路的电路图。
图2揭示了三相电压的波形图。
图3揭示了理想状态下的电压图，其中不包括开关管的开关延时和死区延时，图3所示为一个采样周期。
图4揭示了根据本发明的一实施例的电压图，其中包括了开关管的开关延时和死区延时，图4所示为中间相电流极性为正的子周期。
图5揭示了根据本发明的一实施例的电压图，其中包括了开关管的开关延时和死区延时，图5所示为中间相电流极性为负的子周期。
图6揭示了根据本发明的一实施例的逻辑示意图。
具体实施方式
对死区时间进行补偿的基本原理是基于电流的极性和电压的偏差。传统技术中，电压的偏差是根据电压的平均值进行计算，偏差的电压被平均到整个周期中，然后再添加到矢量上来产生控制电压进行补偿，一般需要转化为dq坐标系中的补偿电压。如此操作的计算量较大，算法复杂，从而造成响应速度较慢，无法做到实时补偿。
本方法提出一种基于电压的最大值-中间值-最小值，根据电压的最大值-中间值-最小值和相电流的极性来直接补偿输出电压偏差的方法。该方法根据电流的极性分析实际开关电压的间隔误差，开关电压的间隔误差是由死区时间和门极驱动的延时导致的。为了对电压偏差进行适当的补偿，三相逆变电路的控制电压在每个采样周期内分为最大值、中间值和最小值。PWM的间隔由最大最小控制电压作为一个零电压开关间隔和两个有效电压的开关间隔时间决定的。偏差电压由中间电压一相的电流极性和由电流极性而定的某一有效的电压开关间隔。开关的切换间隔是由零电压和所补偿的有效电压的间隔两者相加得到。
根据本发明的一实施例，该变频器的死区补偿方法包括如下的步骤：
开关切换时间设置步骤，依据三相逆变电路中的开关管的导通或者关断状态，在一个采样周期中设置数个开关切换时间，该数个开关切换时间结合开关管的开关延时和死区延时。一个采样周期包括两个对称的子周期，每一个子周期中的开关切换时间互相对称，两个子周期中中间相的电流极性相反。开关管的开关延时包括上升延时和下降延时。三相逆变电路包括六个开关管以及对应的六个二极管。
电压图获取步骤，根据开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值。电压图获取步骤中，电压图中在每一个开关切换时间中电压为定值，该定值为以下之一：±Vo1’、±Vo2’或者0，其中Vo1’为修正母线电压Vdc’的1/3，Vo2’为修正母线电压Vdc’的2/3，所述修正母线电压Vdc’是基于直流母线电压Vdc的修正电压，对由于开关管和二极管的压降进行修正。
电压计算步骤，根据开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值。最大值、中间值和最小值的计算方法为：各个开关切换时间中电压的定值的加权平均值。
开关切换时间计算步骤，根据电压图、最大值、中间值和最小值，在实际采样周期中确定每一个开关切换时间的实际时间。
所设置并计算的数个开关切换时间包括：零电压矢量时间T0、第一非零电压矢量时间T1和第二非零电压矢量时间T2。零电压矢量时间T0期间，所有的六个开关管全部导通或者全部关断。第一非零电压矢量时间T1期间，两个开关管导通，四个开关管关断。第二非零电压矢量时间T2期间，四个开关管导通，两个开关管关断。
下面结合附图具体描述本发明的实施例。
首先参考图1所示，图1是应用本发明的方法的变频器中的三相逆变电路的电路图。如图1所示，三相逆变电路包括六个开关管Q1～Q6，以及对应的六个二极管D1～D6，结合辅助电阻和电容，共同构成三相逆变电路。
图2揭示了三相电压的波形图。其中三相电压为根据三相电压波形的不同，可以分为数个阶段，在每个阶段都有各自的最大值、中间值和最小值。在不同的阶段，最大值、中间值和最小值分别与 相关。具体的关联关系参考图2所示。
参考图3所示，图3揭示了理想状态下的电压图，其中不包括开关管的开关延时和死区延时，图3所示为一个采样周期。该理想状态下的电压图用来说明本发明的工作原理。
参考图3的上半部分，开关切换时间及表示将开关管的状态进行切换的时间，依据三相逆变电路中的开关管的导通或者关断状态，在一个采样周期中会有数个开关切换时间，首先设置这些开关切换时间。进一步的，在一个采样周期中包括两个对称的子周期，每一个子周期中的开关切换时间互相对称，两个子周期中中间相的电流极性相反。以图1所示的具有六个开关管的三相逆变电路为例，根据开关管Q1～Q6的不同开关状态，在每一个子周期中，包括三个开关切换时间：T1、T2和T0。Ts表示一个子周期的时间。T1和T2为非零电压矢量的作用时间，T0为零电压矢量的作用时间。在零电压矢量时间T0的作用期间，所有的开关管均导通、或者所有的开关管均关断。在第一非零电压矢量时间T1的作用期间，两个开关管导通，四个开关管关断。在第二非零电压矢量时间T2的作用期间，四个开关管导通，两个开关管关断。在Ts、T1、T2和T0这四个时间变量中，Ts为半个采样周期的时长，是已知的，而T1、T2和T0是未知量，以下的步骤中需要确定T1、T2和T0与Ts的关联，以确定T1、T2和T0的实际时间。
电压图获取步骤，根据开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值。在图3所示的理想状态下，该电压的定值为以下之一：±Vo1、±Vo2或者0，其中Vo1为直流母线电压Vdc的1/3，Vo2为直流母线电压Vdc的2/3。
电压计算步骤，根据开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值。最大值、中间值和最小值的计算方法为：各个开关切换时间中电压的定值的加权平均值。
参考图3的下半部分，在理想状态下，最大值被计算为：
中间值被计算为：
最小值被计算为：
最大值Vmax、中间值Vmid、最小值Vmin为理想输出电压，基于这些理想输出电压，可以计算得到理想状态下非零电压矢量和零电压矢量的切换时间T1，T2，T0。
T0＝Ts-T1-T2
其中Ts和Vdc为已知量，Vmax、Vmin可以通过计算得到，因此T1、T2和T0均可以通过计算得到。
由上可得，电压最大值、中间值和最小值的各自时间为：
在实际的三相逆变电路中，不可能达到上述的理想状态，由于开关管在进行状态切换的时候存在死区时间，并且在开关管导通或者关断时还存在开关延时，因此图3所示的理想状态无法在实际情况中出现。实际情况中的电压图如图4和图5所示，如上面所述的，在一个采样周期中包括两个对称的子周期，每一个子周期中的开关切换时间互相对称，两个子周期中中间相的电流极性相反。图4揭示了中间相电流极性为正的子周期，图5揭示了中间相电流极性为负的子周期。
参考图4的上半部分，是中间相电流极性为正的子周期。首先也是开关切换时间设置步骤。同样根据开关管Q1～Q6的不同开关状态，在中间相电流极性为正的子周期中包括了三个开关切换时间：T1、T2和T0。Ts表示一个子周期的时间。T1和T2为非零电压矢量的作用时间，T0为零电压矢量的作用时间。在零电压矢量时间T0的作用期间，所有的开关管均导通、或者所有的开关管均关断。在第一非零电压矢量时间T1的作用期间，两个开关管导通，四个开关管关断。在第二非零电压矢量时间T2的作用期间，四个开关管导通，两个开关管关断。在Ts、T1、T2和T0这四个时间变量中，Ts为半个采样周期的时长，是已知的，而T1、T2和T0是未知量，以下的步骤中需要确定T1、T2和T0与Ts的关联，以确定T1、T2和T0的实际时间。在图4所示的实际情况中，还考虑了如下的因素：开关延时和死区延时。开关延时包括开关管的门极驱动的上升延时tdr和门极驱动的下降延时tdf。死区时间为Tdead。
在电压图获取步骤中，根据开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值。在图4所示的实际情况下，该电压的定值为以下之一：±Vo1’、±Vo2’或者0，其中Vo1’为修正母线电压Vdc’的1/3，Vo2’为修正母线电压Vdc’的2/3，修正母线电压Vdc’是基于直流母线电压Vdc的修正电压，对由于开关管的压降VCE(i)和二极管的压降VDF(i)进行修正。
在电压计算步骤中，根据开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值。最大值、中间值和最小值的计算方法为：各个开关切换时间中电压的定值的加权平均值。
结合图4而言，由于存在上升延时tdr、下降延时tdf和死区时间Tdead。可以在图3所示的开关切换时间的基础上进一步增加数个时间点，这些时间点与上升延时tdr、下降延时tdf和死区时间Tdead相关。在图4中，总共设置了t0～t10，11个时间点。
输出电压的偏差由两部分产生，一部分是功率器件如功率开关和二极管上的压降，另一部分是由开关的开通关断延时时间和死区时间产生。
在t0～t3之间，实际的开关切换时间和输出电压可得到：
Ts00＝T0+Tdead/2+tdr
VCE(i)和VDF(i)分别是功率开关的压降和电力二极管的压降。考虑开关延迟的切换时间等于T1。
Ts1＝T1-tdr+tdr＝T1
tdr是开关的导通延时。
在t3～t6之间，每相的输出电压为：
在t6～t8开关的切换时间为：
Ts2＝T2-tdr+tdf-Tdead
每相输出电压为：
在t8～t0(此处的t0为另一个子周期的起始时间，表示图4所示的子周期已经结束，所以t8～t0也可以理解为t8至该子周期的结束时间)的输出电压为：
图5揭示了中间相电流极性为负的子周期。由于图5所示的子周期和图4所示的子周期除了中间相电流极性相反之外，其余是对称的，因此根据电流方向同理可得到开关切换时间和输出电压。
功率器件的压降是非线性的且与电流大小相关，所以很难精确补偿电压误差，虽然功率器件的压降取决于电流幅值，由于误差值相对开关电压来说很小，故假设功率器件的压降近似为常量：
Vsat≈VCE(|ix|)≈VDF(|ix|)
综上，每一相的开关电压可以概括为：
与前面相似，计算实际输出电压的最大值、中间值和最小值，得出补偿死区效应和电压偏差的开关切换时间，与中间相电流极性相关：
中间相电流为正：
T0＝Ts-T1-T2
中间相电流为负：
T0＝Ts-T1-T2
图6揭示了根据本发明的一实施例的逻辑示意图。反映了上述的补偿的基本过程。
本发明的优点有：
1)由于对死区效应的补偿是分阶段的，补偿方法没有采用将误差电压平均到dq坐标上。因此，可以随着一些因素导致的变化实时的调整补偿的开关切换时间，不会存在较大的延时和补偿误差，更能精确补偿死区效应。
2)补偿方法考虑到开关管和二极管的管压降以及驱动信号上升下降延时时间的因素，在时间补偿上误差更小，特别是管压降和开关延时对整个过程影响较大的情况下，成为不能忽略的因素。
3)该补偿方法简单有效，不需要复杂的算法和调节过程，可以很好的节省生产成本。
本发明的变频器的死区补偿方法直接应用电压的最大值、中间值和最小值对死区时间进行补偿，避免了复杂的算法，使得补偿更加及时精确，能有效补偿由于死区时间引起的输出电压偏差，改善输出电压的波形，提高电压利用率，减少输出谐波含量，适用于三相电压源逆变电路中。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种变频器的死区补偿方法，其特征在于，包括：
开关切换时间设置步骤，依据三相逆变电路中的开关管的导通或者关断状态，在一个采样周期中设置数个开关切换时间，该数个开关切换时间结合开关管的开关延时和死区延时；
电压图获取步骤，根据所述开关切换时间、直流母线电压、以及三相逆变电路中开关管和二极管的压降得到电压图，所述电压图中，在每一个开关切换时间中电压为定值；
电压计算步骤，根据所述开关切换时间和开关切换时间中电压的定值计算得到电压的最大值、中间值和最小值；
开关切换时间计算步骤，根据所述电压图、最大值、中间值和最小值，在实际采样周期中确定每一个开关切换时间的实际时间。
2.如权利要求1所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述电压图获取步骤中，电压图中在每一个开关切换时间中电压为定值，该定值为以下之一：±Vo1’、±Vo2’或者0，其中Vo1’为修正母线电压Vdc’的1/3，Vo2’为修正母线电压Vdc’的2/3，所述修正母线电压Vdc’是基于直流母线电压Vdc的修正电压，对由于开关管和二极管的压降进行修正。
3.如权利要求2所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述最大值、中间值和最小值的计算方法为：
各个开关切换时间中电压的定值的加权平均值。
4.如权利要求1所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述一个采样周期包括两个对称的子周期，每一个子周期中的开关切换时间互相对称，两个子周期中中间相的电流极性相反。
5.如权利要求1所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述开关管的开关延时包括上升延时和下降延时。
6.如权利要求1所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述三相逆变电路包括六个开关管以及对应的六个二极管。
7.如权利要求6所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述数个开关切换时间包括：
零电压矢量时间T0、第一非零电压矢量时间T1和第二非零电压矢量时间T2。
8.如权利要求7所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述零电压矢量时间T0期间，所有的六个开关管全部导通或者全部关断。
9.如权利要求7所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述第一非零电压矢量时间T1期间，两个开关管导通，四个开关管关断。
10.如权利要求7所述的变频器的死区补偿方法，其特征在于，所述第二非零电压矢量时间T2期间，四个开关管导通，两个开关管关断。
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