CN104901528B - 电机低频抖动的改善方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种改善电机低频抖动的方法，其用于在变频器以低频率驱动电机的情况下，对电机的抖动现象进行改善，其包括：对变频器的输出电流进行检测的检测步骤，判断检测出的变频器的输出电流是否在需要补偿死区时间的补偿范围内的判断步骤，当判断为检测出的变频器的输出电流在需要补偿死区时间的补偿范围内时，对变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的调节步骤。将该方法应用到变频器以低频率驱动电机的电路中，能够补偿输出电压因死区时间过长而丢失的电压采集信号，从而消除电机的抖动，使电机平稳运行。

Description

电机低频抖动的改善方法及装置

技术领域

本发明涉及一种在变频器以低频率驱动电机时，对电机的抖动现象进行改善的方法及装置。

背景技术

变频器等逆变电源的主电路是由开关元件所组成的桥式电路。桥式电路中一般采用脉冲宽度调制（以下，简称为PWM）的方法进行控制，即上、下桥臂的器件轮流开通，以实现对输出电压、电流的控制。由于器件存在延时，且开通延时和关断延时不同，因此为了避免上、下桥臂的器件同时导通而使得器件损坏，在各种采用脉宽调制方法的变频电源中，均设有死区时间，即将驱动信号的上升沿向后延迟一定时间。在此时间内，桥臂上下开关元件都没有触发信号，该桥臂的工作状态将取决于续流二极管和该相电流的方向。

死区时间在保证功率开关元件安全、可靠地运行的同时.也给逆变器带来了十分不利的影响。主要表现在两方面：由于死区时间的存在会使输出电压产生偏差，特别是在低速和U／f控制时影响更明显；设置死区时间会产生附加谐波，进而增加电机附加损耗，使转矩发生很大的脉动，从而引起逆变器输出电流波形的交越失真。在变频器驱动如研磨机械等低频运转的装置的情况下，由于PWM波形与电机之间相互干扰等，本来就会使电机不稳定，而加入死区时间之后，因受到死区时间的影响而导致三相输出电流波形U、V、W在过零点附近（不包括过零点）的电流值均近于零，此时，输出电流的波形会产生畸变，使得变频器的主电路不能精确地再现理想的PWM波形，所以电机抖动的现象会变得更加明显。

在现代电力电子技术中，伴随着不断提高开关频率，死区时间宽度相对于脉冲周期的比例也增加，死区效应对变频器输出电压和输出电流的影响也越来越严重。因此，对逆变器的死区进行补偿是非常必要的。

死区时间的因素不能消除，只能用其他方法加以补偿。对死区时间进行的补偿结果直接影响到调速系统的性能。目前，已经提出了多种死区补偿方案，主要有两个方向：一种是硬件补偿法，另一种是软件补偿法。

硬件补偿法通过对输出实际电压和电压参考值进行比较，来获得所需要的补偿电压信号。这种补偿方法通常结构过于复杂，且不能保证良好的补偿效果。如果对电流过零点的检测存在偏差则不仅不能正确补偿死区时间的影响，还会在此点加大输出电压的偏差，因此，将这种方法应用于变频器以低频率驱动电机的电路的可行性很低。

软件补偿法是在利用变频器驱动电机的控制程序中加入死区补偿的方法，例如，一种软件补偿方法为检测死区时间内的电流，依据输出电流的极性来确定死区补偿的方向。在该方法中，特别是在电流过零点时，电流检测基本上是通过霍尔元件采样，采样过程中不可避免地掺进了干扰信号，从而影响补偿效果，甚至是恶化效果。因此，即使将这种方法应用于在利用变频器以低频率驱动电机的情况下的电路中，对电机的抖动现象的改善效果并不理想。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于，提供了一种在变频器以低频率驱动电机时，对电机的抖动现象进行改善的方法及装置。

根据本发明的一个技术方案，本发明提供一种改善电机低频抖动的方法，该方法用于在变频器以低频率驱动电机的情况下，对电机的抖动现象进行改善，其包括：对所述变频器的输出电流进行检测的检测步骤，判断检测出的所述变频器的输出电流是否在需要补偿死区时间的补偿范围内的判断步骤，当判断为检测出的所述变频器的输出电流在需要补偿死区时间的补偿范围内时，对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的调节步骤。

优选地，在所述检测步骤之前，所述改善电机低频抖动的方法还包括：从事先规定的多个所述补偿范围中，选择一个用来进行死区时间补偿的补偿范围的第一选择步骤，从事先规定的多个调制比的调节量中，选择一个用来对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的所述调制比的调节量的第二选择步骤。

更优选地，所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的电流范围。

更优选地，所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的时间带，该时间带与所述电流范围对应。

根据本发明的另一个技术方案，本发明提供一种改善电机低频抖动的装置，该装置用于在变频器以低频率驱动电机的情况下，对电机的抖动现象进行改善，其包括：对所述变频器的输出电流进行检测的检测模块，判断检测出的所述变频器的输出电流是否在需要补偿死区时间的补偿范围内的判断模块，当判断为检测出的所述变频器的输出电流在需要补偿死区时间的补偿范围内时，对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的调节模块。

优选地，所述改善电机低频抖动的装置还包括：从事先规定的多个所述补偿范围中，选择一个用来进行死区时间补偿的所述补偿范围的第一选择模块，从事先规定的多个调制比的调节量中，选择一个用来对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的所述调制比的调节量的第二选择模块。

根据本发明，在变频器以低频率驱动电机时，能够补偿输出电压因死区时间过长而丢失的电压采集信号，从而消除装置中的电机的抖动，使电机平稳运行。

附图说明

图1是表示现有的变频器的主电路的概略电路图。

图2是表示本发明的实施方式所使用的电流检测电路的电路图。

图3A是表示在本发明的实施方式中规定的用于补偿死区时间的输出电流的阈值以及与输出电流的阈值对应的时间带的图。

图3B是表示图3A中的输出电流和与该输出电流对应的PWM波形的图。

图4是表示对开关元件的导通时间进行补偿之后的PWM波形图。

图5是表示本发明的改善电机低频抖动的方法的概略流程图

图6是表示在利用本发明的改善电机低频抖动的方法补偿了死区时间之后，变频器的输出电流的波形图。

图7是表示本发明的改善电机低频抖动的装置的框图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

本发明的改善电机低频抖动的方法应用于通常的带有电压源以及整流器的变频器中。图1是表示应用了本发明的变频器的主电路的电路图，图中省略了电压源、整流器等部分的电路，只示出了将直流转换为交流的部分，该电路的输入端为直流电压输入端。

如图1所示，上述直流电压输入端包括两条供电线，即，正供电线以及负供电线，正供电线与直流电压源的输出端P相连接，负供电线与直流电压源的输出端N相连接。在两条供电线之间并联有三条桥臂，在每条桥臂中串联的上臂、下臂开关元件之间的连接中点分别与负载（例如电机）的各相线U、V、W相连接，每个开关元件的栅极与控制电路连接，通过来自控制电路的PWM信号来控制各个开关元件的导通/关断。

本发明的改善电机低频抖动的方法，是通过改变开关元件在PWM周期内的导通时间和关断时间来实现的，即，通过对PWM控制信号的调制比进行调整来改变脉冲宽度，从而改变开关元件的导通时间和关断时间。由于输出电流波形的畸变主要发生在电流过零点附近，即，死区时间主要对在电流过零点附近的输出电流波形产生影响，所以仅在电流过零点两侧的特定的范围内，对开关元件的导通/关断时间进行补偿。本发明的改善变频器低频抖动的方法与变频器的频率、系统的运行无关，而仅与电流的极性有关。

以下，对改善变频器低频抖动的方法进行详细的说明。

首先，分别对变频器的三相输出电流进行检测，在此，以对三相输出电流中的U相的电流Iu为例，来进行说明。检测变频器的输出电流的方式有很多种，在本实施方式中，采用电流检测电路来判断电流的极性。

图2是表示本实施方式所使用的电流检测电路的电路图，该电流检测电路是带有偏置量（offset）的运算放大电路，其中，电阻R2与电阻R10相等，电阻R4、R5与R11相等。在该电流检测电路的输入端IU+能够获得与U相的电流Iu对应的电压Vu，该电压Vu为-1.5V～1.5V的电压。电压Vu的信号经由电阻R4输入到放大器的正极，放大器的负极经由电阻R5与地连接。在该电流检测电路中设有一个基准电压端REF，该基准电压端的电压为3V。通过该带有偏置量（offset）的运算放大电路使电压Vu的电压值从-1.5V～1.5V变为0V～3V，当运算放大电路的输出电压IU_AD在0～1.5V时，判断为U相的输出电流Iu的极性为负，即Iu＜0，当运算放大电路的输出电压Iu_ad在1.5～3V时，判断为U相的输出电流极性为正，即Iu＞0。

接着，根据所检测的U相输出电流Iu来确定补偿死区时间的范围。如图3A所示，将正负双向的电流值+iband、-iband作为判断输出电流处于过零点附近的阈值，在输出电流Iu变化至第一电流阈值+iband以下并且在第二电流阈值-iband以上的范围内时，判断为需要对此时的输出电流Iu的死区时间进行补偿，由此，来改变图3B中的在上述补偿范围内的脉冲宽度，即，对在该补偿范围内的开关元件的导通时间进行调整。

就输出电流的补偿阈值iband而言，可以在软件中设定相应的参数，可以事先规定该补偿阈值iband的初始值以及对该补偿阈值iband的大小进行选择的范围，根据实际的情况，将该补偿阈值iband确定为在所规定的范围内的某个值。

具体来说，如图4所示，在检测出的输出电流Iu的极性为正即输出电流Iu大于0的情况下，对在输出电流Iu小于电流阈值+iband的补偿范围内的开关元件的导通时间都增加脉冲补偿时间Δt，在检测出的输出电流Iu的极性为负即输出电流Iu小于0的情况下，在对在输出电流Iu大于电流阈值-iband的补偿范围内的开关元件的导通时间都增加脉冲补偿时间Δt。假设在没有补偿脉冲补偿时间Δt的情况下，输出电流Iu的波形如图4中的a曲线所示，在补偿了脉冲补偿时间Δt的情况下，输出电流Iu变大，其波形变为b曲线，由此可知，通过对死区时间进行补偿，能够使PWM脉冲占空比会增大，输出电流的有效值增大，从而使脉冲在脉宽和相位上近似于理想状态波形。

在本实施方式中，对开关元件导通时间进行的补偿，即所增加的脉冲补偿时间Δt，是通过对PWM控制信号的调制比进行调整来实现的。也就是，在输出电流Iu处于-iband～+iband的补偿范围内，当检测出的输出电流Iu的极性为正时，将在没有进行死区时间补偿时的脉冲电压的调制比Mdead（此时，调制比Mdead为正值）增加调制比的变化量Pdead（正值），即Mdead+Pdead，当检测出的输出电流Iu的极性为负时，将脉冲电压的调制比Mdead（此时，调制比Mdead为负值）减小Pdead，即Mdead-Pdead。由此，来实现对死区时间进行的补偿，从而使脉冲在脉宽和相位上近似于理想状态波形。

在此，就调制比的变化量Pdead的值而言，也可以通过软件事先规定其初始值以及对调制比的变化量Pdead进行选择的范围，根据实际的情况将调制比的变化量Pdead确定为在所规定的范围内的某个值。

图5示出了通过软件来实现上述对死区时间进行补偿即改善电机低频抖动的概略流程图。

首先，在开始执行软件之后，从事先规定的输出电流的补偿范围中选择用于补偿死区时间的输出电流的补偿阈值iband，并且从事先规定的调制比的变化量的范围中选择调制比的变化量Pdead（步骤S1）。此外，还可以不对输出电流的补偿阈值iband和调制比的变化量Pdead均进行选择，而直接使用事先决定的值。

在步骤S2中，利用电流检测电路检测三相输出电流中的U相的输出电流Iu，并判断该输出电流Iu的极性。

接着，判断输出电流是否在需要补偿死区时间的输出电流的范围（-iband～+iband）内，当输出电流Iu大于电流阈值+iband时（在步骤S3中判断为“是”），判断为不需要对输出电流Iu进行补偿，即不改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead（步骤S4）。

当输出电流Iu小于电流阈值-iband时（在步骤S5中判断为“是”），也判断为不需要对输出电流Iu进行补偿，也不改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead（步骤S6）。

在步骤S3及步骤S5中都判断为“否”时，即得出输出电流Iu在需要补偿死区时间的输出电流的范围（-iband～+iband）内的判断结果。此时，需要对输出电流Iu的极性进行进一步的判断，当判断为输出电流Iu的极性为正（包括过零点）即Iu在零以上时（在步骤S7中判断为“是”），则需要改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead，将该调制比Mdead（正值）增加调制比的变化量Pdead（步骤S8）。

当判断为输出电流Iu的极性为负即Iu小于0时（在步骤S7中判断为“否”），也需要改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead，将该调制比Mdead（负值）减小调制比的变化量Pdead（步骤S9）。通过上述处理，实现了对需要补偿死区时间的输出电流进行的补偿。此后，

返回步骤S1，重复进行步骤S1～步骤S9的处理，从而对整个运行变频器的过程中的输出电流进行死区时间的补偿（在步骤S10中判断为“否”）。当停止运行变频器或者不需要再对输出电流进行死区时间的补偿时，结束一连串的处理（在步骤S10中判断为“是”）。

对需要补偿死区时间的输出电流进行判断以及补偿的处理的顺序，可以与上述的步骤S3～步骤S9的处理顺序不同，只要能够实现判断输出电流是否处于过零点附近的需要增加死区时间的范围内，并通过改变PWM控制信号的调制比的方式来进行补偿，都属于本发明要保护的范围。

在本实施方式中，通过事先规定过零点附近的输出电流的补偿范围，来选择用于补偿死区时间的输出电流的补偿阈值iband，但不限于此，还可以规定在输出电流Iu的过零点两侧的用于补偿死区时间的时间带DTB（Deadtime band），用该时间带DTB来表现过零点附近的输出电流的补偿范围，即，如图3A所示，该时间带DTB与输出电流的补偿阈值iband相对应。该时间带DTB被设定为在过零点两侧所占的比例相等。就该时间带DTB而言，可以在软件中设定相应的参数，可以事先规定时间带DTB的初始值以及对时间带DTB的大小进行选择的范围，根据实际的情况，将时间带DTB确定为在所规定的范围内的某个值。

另外，对V相电流和W相电流进行的死区时间补偿的处理方法与U相相同，在此，不作赘述。

将上述方法应用到如研磨机械等低频运转的装置的情况下，能够补偿在低频时输出电压因死区时间过长而丢失的电压采集信号，从而消除装置中的电机的抖动，使电机平稳运行。

此外，为了更好地防止电机的抖动，可以根据变频器实际的输出频率等，对死区时间DT、输出电流的补偿阈值idead（或者补偿死区时间的时间带DTB）、控制信号的调制比的变化量Pdead等的参数进行调节，以达到最佳的防抖效果。如图6所示，在对上述的参数作了适当的调节的基础上对死区时间进行补偿之后，变频器的输出电流的波形很光滑，几乎不失真，从而电机也不发生抖动。

上述的改善变频器低频抖动的方法能够作为程序事先存储在变频器的控制电路的存储介质内。

本发明还提供一种改善电机低频抖动的装置100，如图7所示，其包括：检测模块103，其用来检测三相输出电流中的单相的输出电流，例如U相的输出电流Iu，并判断该输出电流Iu的极性；判断模块104，其用来判断输出电流Iu是否在需要补偿死区时间的输出电流的范围（-iband～+iband）内；调节模块105，在判断模块104判断为输出电流Iu不在需要补偿死区时间的输出电流的范围内的情况下，即在Iu＞+iband或者Iu＜-iband的情况下，调节模块105不改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead，在判断模块104判断为输出电流Iu在需要补偿死区时间的输出电流的范围（-iband～+iband）内的情况下，调节模块105改变输出电流的PWM控制信号的调制比Mdead。

具体来说，在判断模块104判断为输出电流Iu在需要补偿死区时间的输出电流的范围内的情况下，若输出电流Iu的极性为负即Iu小于0，则调节模块105进行该调制比Mdead（负值）-调制比的变化量Pdead的运算，若输出电流Iu的极性为正（包括过零点）即Iu在零以上，则调节模块105进行该调制比Mdead（正值）+调制比的变化量Pdead的运算。

改善电机低频抖动的装置100还可以包括：第一选择模块101，其从事先规定的输出电流的补偿范围中选择用于补偿死区时间的输出电流的补偿阈值iband；第二选择模块102，其从事先规定的调制比的变化量的范围中选择调制比的变化量Pdead。在利用时间带DTB来表示输出电流的补偿阈值iband的情况下，第一选择模块101可以从事先规定的时间带范围中选择补偿死区时间的时间带DTB。

另外，改善电机低频抖动的装置100同样能够对V相电流和W相电流进行的死区时间补偿，在此，不作赘述。

在将该改善电机低频抖动的装置100应用到如研磨机械等低频运转的装置的情况下，也能够补偿在低频时输出电压因死区时间过长而丢失的电压采集信号，从而消除装置中的电机的抖动，使电机平稳运行。

本领域技术人员应当理解，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其限制，凡是在本发明权利要求的范围内所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种改善电机低频抖动的方法，用于在变频器以低频率驱动电机的情况下，对电机的抖动现象进行改善，其特征在于，

包括：

对所述变频器的输出电流进行检测的检测步骤，

判断检测出的所述变频器的输出电流是否在需要补偿死区时间的补偿范围内的判断步骤，

当判断为检测出的所述变频器的输出电流在需要补偿死区时间的补偿范围内时，对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节以增加脉冲补偿时间的调节步骤，

当判断为所述输出电流大于0时，将作为正值的所述调制比增加调制比的调节量的步骤，

当判断为所述输出电流小于0时，将作为负值的所述调制比减去调制比的调节量的步骤。

2.如权利要求1所述的改善电机低频抖动的方法，其特征在于，

在所述检测步骤之前，还包括：

从事先规定的多个所述补偿范围中，选择一个用来进行死区时间补偿的补偿范围的第一选择步骤，

从事先规定的多个调制比的调节量中，选择一个用来对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的所述调制比的调节量的第二选择步骤。

3.如权利要求1或者2所述的改善电机低频抖动的方法，其特征在于，

所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的电流范围。

4.如权利要求3所述的改善电机低频抖动的方法，其特征在于，

所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的时间带，该时间带与所述电流范围对应。

5.一种改善电机低频抖动的装置，用于在变频器以低频率驱动电机的情况下，对电机的抖动现象进行改善，其特征在于，

包括：

对所述变频器的输出电流进行检测的检测模块，

判断检测出的所述变频器的输出电流是否在需要补偿死区时间的补偿范围内的判断模块，

当判断为检测出的所述变频器的输出电流在需要补偿死区时间的补偿范围内时，对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节以增加脉冲补偿时间的调节模块，

当判断为所述输出电流大于0时，将作为正值的所述调制比增加调制比的调节量，

当判断为所述输出电流小于0时，将作为负值的所述调制比减去调制比的调节量。

6.如权利要求5所述的改善电机低频抖动的装置，其特征在于，

还包括：

从事先规定的多个所述补偿范围中，选择一个用来进行死区时间补偿的所述补偿范围的第一选择模块，

从事先规定的多个调制比的调节量中，选择一个用来对所述变频器的PWM控制信号的调制比进行调节的所述调制比的调节量的第二选择模块。

7.如权利要求5或者6所述的改善电机低频抖动的装置，其特征在于，

所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的电流范围。

8.如权利要求7所述的改善电机低频抖动的装置，其特征在于，

所述补偿范围为位于所述变频器的输出电流过零点附近的时间带，该时间带与所述电流范围对应。