CN104811079B - 开环驱动器的死区补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流伺服变频器技术领域，公开了一种开环驱动器的死区补偿方法及系统。本发明中，开环驱动器的死区补偿方法，包含以下步骤：计算驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值；根据电流的幅值与功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系；根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿；其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。这样，可以准确地判断电流方向，减小对死区补偿的干扰，提高输出电压的精度；还可以避免电流方向判断不正确造成的零电流钳位问题，减小系统抖动和噪声，提高控制精度，改善系统的低速性能。

Description

开环驱动器的死区补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及交流伺服变频器技术领域，特别涉及一种开环驱动器的死区补偿方法及系统。

背景技术

伺服驱动器开环控制应用广泛。特别是在低速区域，高精度的电压输出是一个很重要的指标。驱动器等逆变电源的主电路是由开关器件所组成的桥式电路。桥式电路中一般采用脉宽调制(比如svpwm，即空间矢量脉宽调制)的方法进行控制，即上下桥臂的器件轮流导通，以实现对电压和电流的控制。由于器件存在延时，并且为了避免上下桥臂的器件同时导通而使器件损坏，在各种脉宽调制的变频电源中，均设有死区时间，即将驱动信号的上升延后一定时间。

在现有的伺服驱动器中，一般都有对系统进行死区补偿，基本的补偿方式为通过检测三相电流的大小和方向，根据平均电压值进行死区补偿。其中，依据输出电流的极性来确定死区补偿的方向，然后通过输出电流的大小补偿相应的死区电压大小。

在上述方式中，电流方向检测是最重要的环节。但是，在零电流穿越时，很难精确地检测电流方向。不正确的电流方向判断，会影响死区补偿效果，甚至是恶化效果，导致输出电压畸变、电机速度抖动等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开环驱动器的死区补偿方法及系统，可以准确地判断电流方向，减小对死区补偿的干扰，提高输出电压的精度；还可以避免电流方向判断不正确造成的零电流钳位问题，减小系统抖动和噪声，提高控制精度，改善系统的低速性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种开环驱动器的死区补偿方法，包含以下步骤：

计算所述驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值；

根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系；

根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿；其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。

本发明的实施方式还提供了一种开环驱动器的死区补偿系统，包含：计算单元、电流整定单元与死区补偿单元；

所述计算单元，用于计算所述驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值；

所述电流整定单元，用于根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系；

所述死区补偿单元，用于根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿；其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。

本发明实施方式相对于现有技术而言，是通过计算驱动器中电压与电流的功率因数角与电流的幅值，并根据计算得到的功率因数角与电流的幅值进行在线电流整定，获取电流幅值与相位的对应关系，其中，根据电流的相位，可以直接并准确地获得对应的电流幅值的正负，即可以准确地判断电流方向；在根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿时，由于得到的电流方向是准确的，所以可以减小对死区补偿的干扰，提高输出电压的精度；还可以避免电流方向判断不正确造成的零电流钳位问题，减小系统抖动和噪声，提高控制精度，改善系统的低速性能。

进一步地，在根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿的步骤之前，包含以下步骤：将电流的幅值、电流的相位与对应的补偿电压制成表格；在根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿的步骤中，根据电流的幅值与电流的相位，从所述表格中查找出补偿电压。通过查表的方式进行死区补偿，实现简单。

进一步地，在根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系的步骤中，包含以下子步骤：根据计算出的功率因数角与电流的幅值，得到所采集的相电流的幅值与相位的对应关系；根据得到的所采集的相电流的幅值与相位的对应关系以及三相电流中各相电流之间的相位关系，得出其余两相电流的幅值与相位的对应关系；其中，三相电流的各相电流之间相位相差120度。由于三相电压中各相电压相位互差120度，所以，三相电流中各相电流的相位也是互差120度，所以，只要求出一路相电流的相位，就可以得出其余两相电流的相位，即得到所采集的相电流的幅值与相位的对应关系，就可以得到其余两相电流的幅值与相位的对应关系。

进一步地，在向所述驱动器中通入三相电压的步骤中，采用恒压频比(v/f)控制方式，向驱动器中通入三相电压。在电机的v/f控制方式中，采用软件算法对因死区时间引起的输出误差电压进行实时补偿，从而显著减小输出电流波形畸变，提高伺服系统的驱动特性，该算法简单实用，具有较高的可靠性及稳定性。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的开环驱动器的死区补偿方法的流程示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的电压电流相位关系示意图；

图3是根据现有技术中的死区补偿后的反馈电流波形图；

图4是根据本发明第一实施方式中的死区补偿后的反馈电流波形图；

图5是根据本发明第二实施方式的开环驱动器的死区补偿系统的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种开环驱动器的死区补偿方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，向驱动器中通入三相电压(Va、Vb、Vc)。其中，a相、b相、c相电压之间的相位互差120度。

在本实施方式中，驱动器采用恒压比的控制方式。在v/f控制方式中，采用改进的软件算法对因死区时间引起的输出误差电压进行实时补偿，从而显著减小输出电流波形畸变，提高伺服系统的驱动特性，该算法简单实用，具有较高的可靠性及稳定性。

步骤102，采集一路相电流。在本实施方式中，采集的是a相电流(Ia)。其中，Ia、Ib、Ic为三相电流，三者之间的相位互差120度。

步骤103，计算采集的相电流与三相电压的单位余弦值的乘积(iq)。在本实施方式中，设Ia的幅值为Ipk，三相电压的圆频率为ω，电压与电流的功率因数角为φ，所以，iq的表达式为

步骤104，计算相电流与三相电压的单位正弦值的乘积(id)。id的表达式如下

步骤105，对iq与id进行低通滤波。具体地说，经过低通滤波，可以将iq与id中的随时间变化的部分(比如cos(2ωt-φ)与sin(2ωt-φ))滤掉，只剩与φ相关的常量。其中，滤波后的iq与id的表达式分别为

步骤106，对滤波后的iq与id的比值求反正切，得出功率因数角。具体地说，滤波后的iq与id的比值为

所以，功率因数角(φ)就可以通过对求反正切而得到，即

在本实施方式中，电压与电流的相位关系可以如图2所示，其中，201为电压，202为电流，电流落后电压的相位角为φ。

步骤107，根据功率因数角(φ)与滤波后的iq，计算得出电流的幅值。具体地说，将φ的值代入式(3)中，可以得到电流的幅值(Ipk)，其中，

从步骤101至107，计算得出了驱动器中电压与电流的功率因数角(φ)以及电流的幅值。

步骤108，根据计算出的功率因数角与电流的幅值，进行在线电流整定，得到所采集的相电流的幅值与相位的对应关系。具体而言，通过在线电流整定，可以重新勾勒出电流的波形，即得出电流幅值与相位的对应关系。其中，在线电流整定是现有成熟的技术，在此不再赘述。在本步骤中，得出的是a相电流的波形，即a相电流的幅值与相位的对应关系。

步骤109，根据得到的所采集的相电流的幅值与相位的对应关系以及三相电流中各相电流之间的相位关系，得出其余两相电流的幅值与相位的对应关系。

由于三相电压中各相电压相位互差120度，所以，三相电流中各相电流的相位也是互差120度，所以，只要求出a相电流的相位，就可以得出b、c两相电流的相位，即得到所采集的a相电流的幅值与相位的对应关系，就可以得到b、c两相电流的幅值与相位的对应关系。

步骤108至步骤109中，通过在线电流整定得出了三相电流的幅值与相位的对应关系，也就是，不但得出了不同时刻电流的幅值，还可以得出不同时刻的电流对应的相位。其中，根据电流的相位，可以准确地判断出电流的方向。只要得到准确的电流方向，就可以减小对死区补偿的干扰，提高输出电压的精度；还可以避免电流方向判断不正确造成的零电流钳位问题，减小系统抖动和噪声，提高控制精度，改善系统的低速性能。

步骤110，将电流的幅值、电流的相位与对应的补偿电压(v')制成表格。其中，补偿电压(v')的大小根据电流的幅值得到，补偿电压(v')的正负根据对应电流的相位判断得出。在本实施方式中，补偿电压(v')本身带有正负号。

其中，补偿电压的大小根据平均电压补偿方式得到，具体运算公式如下

其中，td为死区时间，ton，toff为开关的开通和关闭延迟时间，Vdc为母线电压，Vsat为模块压降，Vd为续流二极管的压降，Tc为载波周期值。

步骤111，根据电流的幅值与电流的相位，从表格中查找出补偿电压(v')。通过查表的方式可以直接得出补偿电压(v')，实现简单。

步骤112，根据补偿电压进行死区补偿。具体地说，是将补偿前的电压加上补偿电压，得到补偿后的电压。其中，若电流为正时，相当于补偿前的电压加上一个补偿值；电流为负时，相当于补偿前的电压减去一个补偿值。

这样，意味着当某桥臂的输出电流为正值时，增加该桥臂的输出脉宽的一个死区时间；当某桥臂的输出电流为负值时，减小该桥臂的输出脉宽一个死区时间。

为说明本实施方式中的死区补偿方法的优越性，现结合附图进行对比说明。其中，图3是采集电流以判断电流方向进行死区补偿得到的电流波形图，图4是本实施方式中死区补偿后重新得到的电流波形图。其中，301为补偿前的Ia，302为补偿前的Ib；401为补偿后的Ia，402为补偿后的Ib。

从图3中，可看出由于零电流钳位，导致电流方向判断错误，对于死区补偿，导致电流波形产生畸变。从图4中可以看出，零电流钳位现象基本消除。

与现有技术相比，是通过计算驱动器中电压与电流的功率因数角与电流的幅值，并根据计算得到的功率因数角与电流的幅值进行在线电流整定，获取电流幅值与相位的对应关系，其中，根据电流的相位，可以直接并准确地获得对应的电流幅值的正负，即可以准确地判断电流方向；根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿，由于电流方向是准确的，所以可以减小对死区补偿的干扰，提高输出电压的精度；还可以避免电流方向判断不正确造成的零电流钳位问题，减小系统的速度抖动和噪声，提高控制精度，改善系统的低速性能，保证伺服系统的最低转速要求。而且，本实施方式简单可行，易于实现。

本发明的第二实施方式涉及一种开环驱动器的死区补偿方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，是根据功率因数角与滤波后的iq，计算得出电流的幅值。而在本发明第二实施方式中，可以根据功率因数角与滤波后的id，计算得出电流的幅值，丰富了本发明的实施方式。

具体地说，将φ的值代入式(4)中，也可以得到电流的幅值(Ipk)，其中，在本实施方式中的Ipk的表达式为

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种开环驱动器的死区补偿系统，如图5所示，包含：电压输入单元、电流传感器、计算单元、滤波器、电流整定单元、处理单元与死区补偿单元。

电压输入单元，用于向驱动器中通入三相电压。

电流传感器，用于采集一路相电流；其中，相电流中包含功率因数角的信息。在本实施方式中，电流传感器为霍尔传感器。

计算单元，用于计算驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值。具体地说，在本实施方式中，计算单元先计算相电流与三相电压的单位余弦值的乘积(iq)，以及相电流与三相电压的单位正弦值的乘积(id)。滤波器对计算单元计算的iq与id进行滤波。计算单元再对滤波器滤波后的iq与id的比值求反正切，得出功率因数角。计算单元再根据功率因数角与滤波后的iq，计算得出电流的幅值。本实施方式中的滤波器为低通滤波器。

电流整定单元根据电流的幅值与功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系。

死区补偿单元根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿。其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种开环驱动器的死区补偿系统。第四实施方式与第三实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第三实施方式中，计算单元根据功率因数角与滤波后的iq，计算得出电流的幅值。而在本发明第四实施方式中，计算单元根据功率因数角与滤波后的id，计算得出电流的幅值，丰富了本发明的实施方式。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种开环驱动器的死区补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：

计算所述驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值；

根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系；

将电流的幅值、电流的相位与对应的补偿电压制成表格；

根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿，根据电流的幅值与电流的相位，从所述表格中查找出补偿电压；其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。

2.根据权利要求1所述的开环驱动器的死区补偿方法，其特征在于，在计算所述驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值的步骤中，包含以下子步骤：

向所述驱动器中通入三相电压；

采集一路相电流；其中，所述相电流中包含所述功率因数角的信息；

计算所述相电流与所述三相电压的单位余弦值的乘积iq，以及所述相电流与所述三相电压的单位正弦值的乘积id；

对所述iq与所述id进行滤波；

对滤波后的iq与id的比值求反正切，得出所述功率因数角；

根据所述功率因数角与滤波后的iq，计算得出电流的幅值；或者

根据所述功率因数角与滤波后的id，计算得出电流的幅值。

3.根据权利要求2所述的开环驱动器的死区补偿方法，其特征在于，在根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系的步骤中，包含以下子步骤：

根据计算出的功率因数角与电流的幅值，得到所采集的相电流的幅值与相位的对应关系；

根据得到的所采集的相电流的幅值与相位的对应关系以及三相电流中各相电流之间的相位关系，得出其余两相电流的幅值与相位的对应关系；

其中，三相电流的各相电流之间相位相差120度。

4.根据权利要求2所述的开环驱动器的死区补偿方法，其特征在于，在向所述驱动器中通入三相电压的步骤中，

采用恒压频比控制方式，向驱动器中通入三相电压。

5.一种开环驱动器的死区补偿系统，其特征在于，包含：计算单元、电流整定单元、处理单元与死区补偿单元；

所述计算单元，用于计算所述驱动器中电压与电流的功率因数角以及电流的幅值；

所述电流整定单元，用于根据电流的幅值与所述功率因数角，进行在线电流整定，获取电流的幅值与相位的对应关系；

所述处理单元，用于将电流的幅值、电流的相位与对应的补偿电压制成表格；

所述死区补偿单元，用于根据电流的幅值与相位的对应关系进行死区补偿，根据电流的幅值与电流的相位，从所述表格中查找出补偿电压；其中，根据电流的幅值得到补偿电压的大小，根据对应电流的相位，判断补偿电压的正负。

6.根据权利要5所述的开环驱动器的死区补偿系统，其特征在于，还包含电压输入单元、电流传感器与滤波器；

所述电压输入单元，用于向所述驱动器中通入三相电压；

所述电流传感器，用于采集一路相电流；其中，所述相电流中包含所述功率因数角的信息；

所述计算单元，还用于计算所述相电流与所述三相电压的单位余弦值的乘积iq，以及所述相电流与所述三相电压的单位正弦值的乘积id；

所述滤波器，用于对所述iq与所述id进行滤波；

所述计算单元，还用于对滤波后的iq与id的比值求反正切，得出所述功率因数角；

所述计算单元，还用于根据所述功率因数角与滤波后的iq，计算得出电流的幅值；或者

所述计算单元，还用于根据所述功率因数角与滤波后的id，计算得出电流的幅值。

7.根据权利要求6所述的开环驱动器的死区补偿系统，其特征在于，所述电流传感器为霍尔传感器。

8.根据权利要求6所述的开环驱动器的死区补偿系统，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器。