CN104811119A - 一种变频器死区补偿电压自学习方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，公开了一种变频器死区补偿电压自学习方法。本发明中，变频器死区补偿电压自学习方法，包含以下步骤：计算死区补偿电压；获取死区补偿电压与电流的关系，以供根据获取的死区补偿电压与电流的关系进行死区补偿。与现有技术相比，可以得到死区补偿电压与电流准确的关系，使对变频器的死区效应进行准确补偿，降低电流畸变程度，提高电机的性能。

Description

一种变频器死区补偿电压自学习方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种变频器死区补偿电压自学习方法。

背景技术

电机的变频器通常采用脉宽调制(PWM)技术，各桥臂开关管交替开通或关断，以得到期望的电压或电流。开关管的开通和关断需要一定的时间，为了防止同一桥臂的上下两只开关管同时导通，通常设有死区时间，这样就可以保证一只开关管完全关断之后，另一只开关管才能开通。死区时间的存在会使电机输出的实际电压值与期望电压值不相等，从而使得电流出现畸变，电机的性能也会受到影响。为了解决这些问题，就需要对死区进行补偿，以消除死区效应的影响。

死区补偿的方法有很多，根据电流极性来确定死区补偿电压的方法最为常用，这种方法得到的死区补偿电压与电流的关系，如图1所示，横轴是时间，纵轴是电压或电流，101为补偿电压，102为电流。当电流为零时，补偿电压出现突变，采用该死区补偿电压会使电流在过零点处产生跳变，影响电机性能。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种变频器死区补偿电压自学习方法，可以得到死区补偿电压与电流准确的关系，使对死区效应进行准确补偿，降低电流畸变程度，提高电机的性能。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种变频器死区补偿电压自学习方法，包含以下步骤：

计算死区补偿电压；

获取所述死区补偿电压与电流的关系，以供根据获取的所述死区补偿电压与电流的关系进行死区补偿。

本发明实施方式相对于现有技术而言，是在死区补偿之前，通过计算获取死区补偿电压，并获取死区补偿电压与电流的关系，这样，获取的死区补偿电压与电流的关系较为准确。所以，在进行死区补偿时，就可以对变频器的死区效应进行准确补偿，降低电流畸变程度，提高电机的性能。

另外，在所述计算死区补偿电压的步骤中，将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压，得到所述死区补偿电压。

另外，在所述将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压的步骤中，通过如下子步骤计算所述考虑死区效应的电压：在静止三相坐标系下，将所述忽略死区效应的电压减去死区时间对应的电压得到考虑死区效应的电压；对静止三相坐标系下的考虑死区效应的电压进行克拉克(Clarke)变换，得到静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压；对静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压进行帕克(Park)变换，得到同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压；在同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压中，去除电流值小于预设阈值的电流对应的电压值，并进行低通滤波；对低通滤波后的考虑死区效应的电压进行反帕克(Park)变换，得到静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压；根据静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压求出各相占空比，并根据各相占空比计算出所述考虑死区效应的电压；其中，所述考虑死区效应的电压为三相端电压。

将静止三相坐标系下的考虑死区效应的电压依次经过Clarke变换、Park变换，得到同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压，并去除电流值小于预设阈值的电流对应的电压值，这样，就可以去除电流值小于预设阈值时对应的电压突变，再通过低通滤波，可以消除考虑死区效应的电压中的噪声。

附图说明

图1是根据现有技术中补偿电压与电流的关系示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中的变频器死区补偿电压自学习方法的流程图；

图3是根据本发明第一实施方式中向电机输入的电流示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的忽略死区效应的端电压波形示意图；

图5是根据本发明第一实施方式中的计算考虑死区效应的三相端电压的流程图；

图6是根据本发明第一实施方式中的静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压示意图；

图7是根据本发明第一实施方式中的静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压示意图；

图8是根据本发明第一实施方式中的考虑死区效应的三相端电压示意图；

图9是根据本发明第一实施方式中的U_acom的波形示意图；

图10是根据本发明第一实施方式中的死区补偿电压与电流的关系示意图；

图11是根据本发明第一实施方式中的死区补偿电压与电流的拟合曲线示意图；

图12是根据本发明第一实施方式中的补偿后的电流波形示意图；

图13是根据本发明第一实施方式中的不进行死区补偿时的电流波形示意图；

图14是现有技术中的采用方形补偿电压进行死区补偿时的电流波形示意图。

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变频器死区补偿电压自学习方法，具体流程如图2所示，包含以下步骤：

步骤201，采用SVPWM调制，在电机中通入低频三相正弦电流。在本实施方式中，以电压型变频器为例进行详细介绍。具体而言，变频器的额定功率为5.5kw(千瓦)，额定电流为13A(安培)，电机的额定电压为4kw，额定电流为8.8A。

式(1)为三相电流的方程，I为电流有效值，一般情况下，I要大于变频器额定电流的20％，i_a、i_b、i_c分别为A、B、C相电流，各相电流之间的相位差均为120度，θ_A为A相电流相位角。采用SVPWM(空间矢量脉宽调制)，电流频率要低，是为了保证电流为正弦波。其中一相电流的波形如图3所示，频率为0.1Hz，有效值为3.5A。

步骤202，根据母线电压与各相占空比计算忽略死区效应的三相端电压。具体地，设U_an、U_bn、U_cn为忽略死区情况下的三相端电压，U_an、U_bn、U_cn可以通过式(2)获得。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{an}}=d_a{U}_{\mathrm{dc}}\\ U_{\mathrm{bn}}=d_b{Y}_{\mathrm{dc}}\\ U_{\mathrm{cn}}=d_c{U}_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，d_a、d_b、d_c分别为A、B、C相占空比，U_dc为母线电压。忽略死区情况下求出的端电压波形如图4所示，横轴为时间，纵轴为电压。

步骤203，计算考虑死区效应的三相端电压(U_a、U_b、U_c)。在本步骤中，包含如下子步骤，具体如图5所述：

步骤501，在静止三相坐标系下，将忽略死区效应的电压(U_an、U_bn、U_cn)减去死区时间对应的三相电压(U′_acom、U′_bcom、U′_ccom)得到考虑死区效应的电压(U'_a、U'_b、U'_c)。

其中，死区时间对应的电压(U′_acom、U′_bcom、U′_ccom)，可以通过式(3)计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{acom}}^{\′}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_a\right)\\ U_{\mathrm{bcom}}^{\′}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_b\right)\\ U_{\mathrm{ccom}}^{\′}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_c\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，T为电机的变频器载波周期，T_db为死区时间，i_a、i_b、i_c为三相电流，sgn(x)为符号函数且

$\mathrm{sgn}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x>0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right.---\left(4\right)$

比如，i_a大于0时，sgn(i_a)的值就为1，i_a等于0时，sgn(i_a)的值就为0，i_a小于0时，sgn(i_a)就等于-1。

步骤502，进行克拉克(Clarke)变换。具体地，是对静止三相坐标系下的考虑死区效应的电压(U'_a、U'_b、U'_c)进行Clarke变换，得到静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压(U′_α、U′_β)。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\&alpha;}}^{\&prime;}=\frac{2}{3}{U}_a^{\&prime;}-\frac{1}{3}{U}_b^{\&prime;}-\frac{1}{3}{U}_c^{\&prime;}\\ U_{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}=\frac{2}{\sqrt{3}}{U}_b^{\&prime;}-\frac{2}{\sqrt{3}}{U}_c^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(5\right)$

本步骤对应的电压波形如图6所示，U′_α、U′_β在电流过零点处有明显畸变(存在突变)；其中，601为U′_α，602为U′_β。

步骤503，进行帕克(Park)变换。具体地，是对静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压(U′_α、U′_β)进行Park变换，得到同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压(U′_d、U′_q)。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_d^{\&prime;}=U_a^{\&prime;}\cos {\mathrm{\&theta;}}_A+U_{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}_A\\ U_q^{\&prime;}=-U_a^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}_A+U_{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}\cos {\mathrm{\&theta;}}_A\end{array}\right.---\left(6\right)$

计算出的U′_d、U′_q与U′_α、U′_β一样，在电流过零点处有畸变。

步骤504，去除电流值小于预设阈值的电流对应的电压值，并进行低通滤波。具体地，是在同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压(U′_d、U′_q)中，去除电流值小于预设阈值的电流对应的电压值，这样，就可以去除电流值小于预设阈值时对应的电压突变；再通过低通滤波，可以消除考虑死区效应的电压中的噪声。在本实施方式中，可以去除电流值小于0.9A的电流对应的U′_d、U′_q值，将对U′_d、U′_q进行低通滤波，得到近似直流量的U_d、U_q。

步骤505，进行反帕克(Park)变换。具体地，是对低通滤波后的考虑死区效应的电压(U_d、U_q)进行反帕克变换，得到静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压(U_α、U_β)。得到的U_α、U_β的波形图如图7所示，U_α、U_β在电流过零点处不再有突变；其中701为U_α，702为U_β。

步骤506，采用SVPWM算法求出各相占空比，并根据各相占空比求出考虑死区效应的三相端电压(U_a、U_b、U_c)。具体地，是采用SVPWM算法并根据U_α、U_β求出各相占空比，再利用求出的各相占空比求出U_a、U_b、U_c。其中，U_a、U_b、U_c的波形如图8所示。

步骤204，将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压，得到死区补偿电压(U_acom、U_bcom、U_ccom)。具体可根据(7)式计算得到。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{acom}}=U_{\mathrm{an}}-U_a\\ U_{\mathrm{bcom}}=U_{\mathrm{bn}}-U_b\\ U_{\mathrm{ccom}}=U_{\mathrm{cn}}-U_c\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，U_acom的波形图如图9所示。

步骤205，获取死区补偿电压与电机中电流的关系。其中，死区补偿电压值与电流值一一对应。

本实施方式中，死区补偿电压与电流的关系如图10所示，当电流较大时，死区补偿电压不再随电流变化而变化，所以可以认为电流大于一定值时，死区补偿电压为一固定值。

本实施方式中，采用将死区补偿电压与电流的关系进行曲线拟合，得出的拟合曲线如图11所示，以供根据拟合的曲线进行死区补偿。

至此为止，本实施方式中的变频器死区补偿电压自学习方法介绍完毕。

结果验证：根据在本实施方式中的拟合曲线，对电机的电压进行死区补偿，补偿后的电流波形如图12所示。本发明中，补偿后的电流波形与不进行死区补偿时的电流波形(如图13所示)、采用方形补偿电压进行死区补偿时的电流波形(如图14所示)相比，对电机变频器的死区效应补偿更准确，消除了电流较小时存在的突变，可以提高电机的性能。这说明，本实施方式中的变频器死区补偿电压自学习方法可以获取准确的死区补偿电压与电流的关系。

需要说明的是，本发明不但适用于异步电机，也适用于永磁同步电机等。

本发明的第二实施方式同样涉及一种变频器死区补偿电压自学习方法。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，将死区补偿电压(U_acom、U_bcom、U_ccom)与电流(i_a、i_b、i_c)的关系进行曲线拟合，得到拟合的曲线，以供进行死区补偿。在第二实施方式中，将死区补偿电压与电流的关系制成表格，以供依据表格进行死区补偿。本实施方式丰富了本发明的实施方式。

在实际应用时，既可以将死区补偿电压(U_acom、U_bcom、U_ccom)与电流(i_a、i_b、i_c)的关系制成表格，也可以，将死区补偿电压(U_acom、U_bcom、U_ccom)与电流(i_a、i_b、i_c)的关系进行曲线拟合，具体可视情况而定。

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 (7)

1.一种变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，包含以下步骤：

计算死区补偿电压；

获取所述死区补偿电压与电流的关系，以供根据获取的所述死区补偿电压与电流的关系进行死区补偿。

2.根据权利要求1所述的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，在所述计算死区补偿电压的步骤中，

将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压，得到所述死区补偿电压。

3.根据权利要求2所述的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，在所述将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压的步骤中，根据母线电压与各相占空比计算所述忽略死区效应的电压；

其中，所述忽略死区效应的电压为三相端电压。

4.根据权利要求2所述的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，在所述将忽略死区效应的电压减去考虑死区效应的电压的步骤中，通过如下子步骤计算所述考虑死区效应的电压：

在静止三相坐标系下，将所述忽略死区效应的电压减去死区时间对应的电压得到考虑死区效应的电压；

对静止三相坐标系下的考虑死区效应的电压进行克拉克变换，得到静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压；

对静止两相坐标系下的考虑死区效应的电压进行帕克变换，得到同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压；

在同步旋转坐标系下的考虑死区效应的电压中，去除电流值小于预设阈值的电流对应的电压值，并进行低通滤波；

对低通滤波后的考虑死区效应的电压进行反帕克变换，得到静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压；

根据静止两相坐标系下的低通滤波后的考虑死区效应的电压求出各相占空比，并根据各相占空比计算出所述考虑死区效应的电压；

其中，所述考虑死区效应的电压为三相端电压。

5.根据权利要求4所述的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，所述死区时间对应的电压，通过如下关系式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{acom}}^{\&prime;}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_a\right)\\ U_{\mathrm{bcom}}^{\&prime;}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_b\right)\\ U_{\mathrm{ccom}}^{\&prime;}=\frac{T_{\mathrm{db}}}{T}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{sgn}\left(i_c\right)\end{array}\right.$

其中，U′_acom、U′_bcom、U′_ccom为死区时间对应的三相电压，T为电机的变频器载波周期，T_db为死区时间，U_dc为母线电压，i_a、i_b、i_c为三相电流，sgn(x)为符号函数且

$\mathrm{sgn}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x>0\\ 0,& x=0\\ -1,& x<0\end{array}\right..$

6.根据权利要求1所述的电压的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，在所述获取死区补偿电压与电流的关系的步骤中，

将所述死区补偿电压与电流的关系制成表格；

在所述根据死区补偿电压与电流的关系进行死区补偿的步骤中，

根据所述表格进行死区补偿；或者

在所述获取死区补偿电压与电流的关系的步骤中，

将所述死区补偿电压与电流的关系进行曲线拟合；

在所述根据死区补偿电压与电流的关系进行死区补偿的步骤中，

根据拟合的曲线，进行死区补偿。

7.根据权利要求1所述的变频器死区补偿电压自学习方法，其特征在于，在所述计算死区补偿电压的步骤之前，

采用空间矢量脉宽调制SVPWM，向所述电机中通入三相电流。