CN105576993B - 一种变频器死区补偿方法及补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频器死区补偿方法及补偿系统，涉及电机控制技术领域。本方案基于硬件死区补偿方法的基础上，对硬件脉宽检测误差进行软件修正，从而大幅改进小电流条件下的输出电压失真问题，能够以极高的精度检测死区时间引起的输出电压误差，并能精确地进行死区补偿，极大的减小输出电压失真，抑制输出电流谐波畸变。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种变频器死区补偿技术。
背景技术
电压源型变频器的输出端一般采用每相具有上、下两个互补动作的功率半导体开关的桥式电路，输出电压采用PWM方式，按照时间电压面积等效原则，通过控制调制比较值改变占空比来调节输出电压。
为了防止上、下两个功率半导体之间出现“桥臂直通”现象，一般会在桥臂的驱动信号中插入一段“死区时间”，在该段时间之内，上、下两个功率半导体开关器件均处于可靠关断状态。
死区时间的插入导致“死区效应”，在输出电压层面，主要表现为：输出电压脉宽偏差和脉冲边沿非线性。
死区时间内一相桥臂的上、下两个开关器件均处于关断状态，实际的输出电压将由续流电流和续流回路决定。以图1为例，当输出电流iu>0时，实际的输出电压与理想电压之间的脉宽偏差为-(td+ton-toff)，当输出电流iu<0时，实际的输出电压与理想电压之间的脉宽偏差为(td+ton-toff)，其中，td为死区时间，ton为开通延迟，toff为关断延迟。
在死区时间以内，输出脉冲电压的边沿变化由续流电流对功率半导体的输出极间电容Cce1和Cce2充放电情况决定。当续流电流较大时，这一充放电过程非常迅速，小于死区时间，因此死区时间内的电压边沿变化实际上是线性的。临界的，当续流电流小到某一阈值时，这一充放电过程刚好在完整的死区时间内完成，如图2中(a)和(e)所示。当电流小于该阈值而非零时，在死区时间以内，续流电流无法通过将功率半导体的输出极间电容Cce1和Cce2充放电完全而达到另一稳定电平状态，而是在死区时间结束后由另一开关管的开通而使得输出电压强迫变化至另一稳定电平状态，如图2中(b)和(d)所示，此时输出电压的边沿出现非线性畸变。当电流达到零时，上述续流充电过程将不存在，输出电压依靠互补开关管的开通进行改变，不考虑ton和toff的差别，理论上输出电压中将不存在死区影响。
由于上述输出电压中存在的脉宽偏差和边沿非线性畸变引起的输出电压偏差，会导致变频器的输出电流存在谐波畸变，所带电机负载中将出现谐波转矩，影响控制性能，因此为提高控制性能，必须对死区效应进行补偿。
通常死区效应补偿主要采取两种方式：软件死区补偿和硬件死区补偿。
软件死区补偿是通过构造一系列的电流条件获取输出电压偏差和输出电流之间的对应关系曲线，再根据实际的输出电流或推算的预测电流大小和符号，将上述习得的电压偏差补偿到输出指令占空比当中，使得实际的输出电压接近于理想的输出电压。这种方法计算简单，不需要额外的输出电压硬件检测电路，且可以通盘补偿各种硬件层面原因导致的电压失真，在输出电流较大情况下补偿效果尚可。但是，输出电压偏差补偿是基于输出电流，当电流较小或者出现零电流箝位时无法准确补偿，电流过零点附近仍存在严重畸变。
硬件死区补偿是使用硬件电路采样输出电压的脉冲宽度，与指令脉宽进行对比，得到脉宽误差，从而在输出指令上进行脉冲宽度补偿。其输出电压脉冲宽度检测一般是利用输出电压与一个固定电位、或根据电流可改变的两个电位、或两级固定电位进行比较生成方波反馈信号，根据时间电压面积等效原则，当实际输出电压脉冲的边沿为线性时，这种方法的检测精度极高。但是当输出电压边沿存在非线性畸变时，这种检测方法自身存在检测偏差，这一偏差主要出现在输出电流较小的范围内，使得硬件补偿方式下，电流过零点附近仍存在严重畸变。
因此，如何开发一种可解决现有技术问题的死区补偿方案为本领域迫切需要解决的问题。
发明内容
针对上述现有死区补偿技术所存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种能够大幅提升死区补偿精度，极大降低输出电压失真的变频器死区补偿方法。
同时在此基础上，本发明还提供一种可实现该变频器死区补偿方法的变频器死区补偿系统。
为达到上述目的，本发明采用如下的方案：
一种变频器死区补偿方法，该补偿方法基于硬件死区补偿方法的基础上，对硬件脉宽检测误差进行软件修正。
优选的，所述补偿方法包含以下步骤：
检测PWM输出电压的实际占空比，计算指令占空比和实际占空比之间的误差，作为硬件检测死区时间Tdt_h；
检测输出电流瞬时值，在设定的较小电流阈值范围内，根据电流的大小和符号，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s；
使用Tdt_h和Tdt_s之和作为死区补偿时间Tdt，补偿到指令占空比中。
进一步的，所述PWM输出电压实际占空比通过硬件检测方式得到。
再进一步的，所述PWM输出电压实际占空比的检测过程如下：
首先将PWM输出电压与母线电压中点电位进行比较，并形成相应的方波脉宽信号；针对比较后形成的方波脉宽信号的低电平或者高电平状态进行计数；通过一个PWM周期内所得的计数值变化量，计算得到输出电压的实际占空比。
进一步的，所述较小电流阈值范围的确定方法为：当输出电流大小，在变频器设置的死区时间内，使得变频器的输出电压的其中一个边沿，按时间线性过渡到另一个状态，则此时续流电流的大小即为需要对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正的较小电流阈值；对于双极性调制，该阈值范围是关于零对称的区间。
进一步的，在对PWM电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正时：当实际输出的边沿非线性PWM电压，与实际占空比检测信号，在面积等效原则下的脉宽表述之间存在偏差，这一偏差与续流电流的大小和方向有关，根据实际波形畸变情况在面积等效原则下进行误差计算并进行软件修正。
针对上述变频器死区补偿方法的基础上，本发明提供一种变频器死区补偿系统，该系统主要包括：
占空比检测模块，用于检测PWM输出电压的实际占空比；
误差计算模块，与占空比检测模块数据相接，用于计算指令占空比和实际占空比之间的误差，并作为硬件检测死区时间Tdt_h；
电流瞬时值检测电路，用于检测输出电流瞬时值；
软件修改模块，与电流瞬时值检测电路和误差计算模块数据相接，用于在设定的较小电流阈值范围内，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s；
补偿模块，与软件修改模块和误差计算模块数据相接，用于形成死区补偿时间Tdt，并补偿到指令占空比中。
优选的，所述占空比检测模块主要包括电压比较子模块、计数器、实际占空比计算子模块，所述电压比较子模块对PWM输出电压与母线电压中点电位进行比较，并在比较后形成的方波脉宽信号，且将该方波脉宽信号输送至计数器，所述计数器对方波脉宽信号的低电平或者高电平状态进行计数，得到一个PWM周期内的计数值变化量，并传输至实际占空比计算子模块；所述实际占空比计算子模块根据一个PWM周期内的计数值变化量计算得到输出电压的实际占空比。
本发明提供的方案通过对硬件脉宽检测电路检测误差的软件修正，大幅提升了死区补偿精度，极大降低了输出电压失真，尤其是电流过零点附近的电压偏差，可有效抑制零电流箝位现象的发生。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为插入死区时间对实际输出电压影响示意图；
图2为输出电流对实际输出电压边沿影响示意图；
图3为本发明死区补偿方法流程图；
图4为本发明实施例脉宽检测电路示意图；
图5为本发明实施例硬件检测误差曲线示意图；
图6为本发明实施例仅作硬件死区补偿情况下的指令电压、电压误差及输出电流波形；
图7为本发明实施例采用本发明所提供方法补偿情况下的指令电压、电压误差及输出电流波形；
图8为本发明实施死区补偿方法的死区补偿系统的系统框图。
其中，主要附图标记说明如下：
Tdt_h：硬件检测之输出电压占空比与指令占空比之间的脉宽偏差；
Δtd_h：硬件检测之输出电压占空比与实际输出电压等效占空比之间的脉宽偏差；
td：变频器设置的插入死区时间。
100：变频器死区补偿系统；101：占空比检测模块；102：误差计算模块；
103：电流瞬时值检测电路；104：软件修改模块；105：补偿模块；
101a：电压比较子模块；101b：计数器；101c：实际占空比计算子模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本方案基于硬件死区补偿方法的基础上，对硬件脉宽检测误差进行软件修正，从而大幅改进小电流条件下的输出电压失真问题。
据此原理，本方案提供的变频器死区补偿方法主要包含以下步骤，如图3所示：
检测PWM输出电压的实际占空比，计算指令占空比和实际占空比之间的误差，作为硬件检测死区时间Tdt_h；
检测输出电流瞬时值，在设定的较小电流阈值范围内，根据电流的大小和符号，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s；
使用Tdt_h和Tdt_s之和作为死区补偿时间Tdt，补偿到指令占空比中。
参见图8，其所示为能够有效实现上述变频器死区补偿方法的变频器死区补偿系统的系统框图。
由图可知，整个补偿系统100主要包括占空比检测模块101、误差计算模块102、电流瞬时值检测电路103、软件修改模块104以及补偿模块105。
其中，占空比检测模块101，用于检测PWM输出电压的实际占空比。
误差计算模块102，其与占空比检测模块101数据相接，用于计算指令占空比和实际占空比之间的误差，并作为硬件检测死区时间Tdt_h。
电流瞬时值检测电路103，其用于检测输出电流瞬时值。
软件修改模块104，其与电流瞬时值检测电路103和误差计算模块102数据相接，用于在设定的较小电流阈值范围内，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s。
补偿模块105，其与软件修改模块104和误差计算模块102数据相接，以软件修改模块104的修正误差值Tdt_s与误差计算模块102计算得到的硬件检测死区时间Tdt_h之和作为死区补偿时间Tdt，并补偿到指令占空比中。
具体的，占空比检测模块101为一硬件检测电路，其主要包括电压比较子模块101a、计数器101b、实际占空比计算子模块101c。
电压比较子模块101a，其为硬件电路，用于将PWM输出电压与母线电压中点电位进行比较，并且在比较后形成方波脉宽信号，同时将形成的方波脉宽信号输入至计数器101b。
计数器101b具体为CPU的计数器单元，针对比较后形成的方波脉宽信号的低电平或者高电平状态，按照CPU指定的频率进行计数，并且计数得到一个PWM周期内的计数值变化量，并传输至实际占空比计算子模块101c。
实际占空比计算子模块101c，其根据一个PWM周期内的计数值变化量计算得到输出电压的实际占空比。
针对上述的变频器死区补偿方案，以下通过一具体实施例来具体说明。
本实施例基于一台3相380V输入、3相输出7.5kW变频器，输出级拓扑为三相半桥，因三相输出结构对称，后续仅选取U相作原理说明。
图4为本实施例中U相输出电压实际占空信号检测电路示意图，通过设置R1、R2和R3、R4的阻值，使得实际PWM输出电压与母线电压中点电位Udc/2进行比较，比较后形成的方波脉宽信号为Upluse。
将Upluse输入到CPU的计数器单元，该计数单元在Upluse信号的低电平状态下，按照CPU指定的频率进行计数，方波信号的电平翻转后则停止计数，通过一个PWM周期内所得的计数值变化量，可以计算得到输出电压的实际占空比，再与指令占空比作差，即可计算得到硬件死区检测时间Tdt_h；而CPU同时负责产生输出电压指令占空比信号。
本实施例中变频器的PWM输出使用的功率半导体器件为IGBT，在IGBT的CE两端存在输出极间电容，如图1中Cce1和Cce2。当IGBT关断后，若输出电流的极性使得该功率半导体器件的输出极间电压需要通过续流回路进行确定时，续流电流的大小将决定PWM输出电压是否存在畸变。
当续流电流较大时，变频器的输出PWM电压，其边沿是线性变化的，按照面积等效原则，PWM输出电压实际占空比检测是不存在误差的。
临界地，当续流电流的大小，正好使得先期关断的IGBT的输出极间电压，也即变频器的输出PWM电压，在变频器设置的死区时间内，按时间线性过渡到另一个状态，如图2所示，电流处于(a)、(e)两个位置时实际输出电压的波形。此时续流电流的大小即为需要对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正的较小电流阈值。对于本实施例，该阈值范围是关于零对称的区间。
当输出电流处于上述阈值范围时，在死区时间内，续流电流不能使得变频器PWM输出电压边沿线性过渡到另一电平状态，而是由电流对功率半导体器件的输出极间电容充放电情况决定边沿变化斜率，在死区时间结束时，由互补动作的功率半导体开通将输出电压跃迁至最终的稳态电平。实际输出PWM电压的边沿的这种非线性畸变，使得依靠本实施例的实际占空比检测信号Upulse脉宽与电压时间面积等效原则下的实际脉宽表述存在误差，这一误差与续流电流的大小和方向有关。
如图5所示，当输出电流处于(a)点时，T1关断后，输出电流将无法继续通过T1流通，转而为输出极间电容(为T1、T2两个IGBT输出极间电容的并联)充电，使得输出电压Vu下降，此时输出电压刚好在死区时间结束时达到最低，随即T2开通，输出电压的边沿过渡为临界线性，(a)点电流对应的输出电压脉宽和实际等效脉宽相等，不存在检测误差；电流处于(e)点时是关于(a)点的电路对称结果，也不存在检测误差。
当输出电流由(a)点逐步变小但仍为正值时，T1关断后，在死区时间结束时，输出电压Vu将无法到达最低值，而是在T2开通后直接跃变为最低值，本实施例的实际占空比检测信号Upulse脉宽将大于实际等效脉宽，这一偏差大小与输出电压边沿的形状有关，而输出电压的边沿形状由续流电流的大小决定。
由此，可确定如图5所示的硬件占空比检测误差Δtd_h(检测脉宽-实际脉宽)随电流变化关系曲线。由图可知，(b)点电流大小为(a)点的1/2，此时，由波形畸变导致的检测偏差最大，检测信号Upulse在脉宽时间上要比实际等效脉宽多td/4，td为变频器设置的死区插入时间。电流处于(c)点与(e)点之间时，上述偏差关于坐标原点对称。
特别的，当输出电流为零时，不存在输出电压波形边沿的非线性畸变，检测误差为零。
将检测误差Δtd_h取反，即为检测误差软件补偿值Tdt_s。
使用Tdt_h和Tdt_s之和作为死区补偿时间Tdt，补偿到指令占空比中，即可完成死区补偿。
针对本实施例补偿方案的补偿效果，进一步使用本实施例变频器进行对比测试，变频器工作在开环VF模式，输出电压为2V/2Hz，IGBT额定电流50A，死区时间设置为2us，开关频率为10kHz，采用SVPWM调制方式，使用之负载为20mH三相电抗器。
图6为使用硬件死区补偿时输出电压调制比较值指令、硬件检测所得电压误差Tdt_h和输出电流的波形，相比于不作任何死区补偿，变频器输出电压幅值得到大幅补偿，输出电压接近1.5V，但电流畸变严重，存在明显的零电流箝位现象。
图7为使用本方案提供的死区补偿方法后输出电压调制比较值指令、硬件检测所得电压误差Tdt_h、硬件检测方法误差Δtd_h和输出电流的波形，不仅变频器输出电压幅值得到精确补偿，约为2V，且变频器输出电压失真得到准确补偿，输出电流无明显畸变，且零电流箝位现象得到极大抑制。
由上所述，本实施例通过硬件脉宽检测电路测量输出电压脉宽，结合对检测误差的软件修正，大幅提升了死区补偿精度，极大降低了输出电压失真，尤其是电流过零点附近的电压偏差，可有效抑制零电流箝位现象的发生。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种变频器死区补偿方法，其特征在于，所述补偿方法基于硬件死区补偿方法的基础上，对硬件脉宽检测误差进行软件修正；所述补偿方法包含以下步骤：
检测PWM输出电压的实际占空比，计算指令占空比和实际占空比之间的误差，作为硬件检测死区时间Tdt_h；
检测输出电流瞬时值，在设定的较小电流阈值范围内，根据电流的大小和符号，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s；
使用Tdt_h和Tdt_s之和作为死区补偿时间Tdt，补偿到指令占空比中。
2.根据权利要求1所述的一种变频器死区补偿方法，其特征在于，所述PWM输出电压实际占空比通过硬件检测方式得到。
3.根据权利要求2所述的一种变频器死区补偿方法，其特征在于，所述PWM输出电压实际占空比的检测过程如下：
首先将PWM输出电压与母线电压中点电位进行比较，并形成相应的方波脉宽信号；针对比较后形成的方波脉宽信号的低电平或者高电平状态进行计数；通过一个PWM周期内所得的计数值变化量，计算得到输出电压的实际占空比。
4.根据权利要求1所述的一种变频器死区补偿方法，其特征在于，所述较小电流阈值范围的确定方法为：当输出电流大小，在变频器设置的死区时间内，使得变频器的输出电压的其中一个边沿，按时间线性过渡到另一个状态，则此时续流电流的大小即为需要对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正的较小电流阈值；对于双极性调制，该阈值范围是关于零对称的区间。
5.根据权利要求1所述的一种变频器死区补偿方法，其特征在于，在对PWM电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正时：当实际输出的边沿非线性PWM电压，与实际占空比检测信号，在面积等效原则下的脉宽表述之间存在偏差，这一偏差与续流电流的大小和方向有关，根据实际波形畸变情况在面积等效原则下进行误差计算并进行软件修正。
6.一种变频器死区补偿系统，其特征在于，所述系统主要包括：
占空比检测模块，用于检测PWM输出电压的实际占空比；
误差计算模块，与占空比检测模块数据相接，用于计算指令占空比和实际占空比之间的误差，并作为硬件检测死区时间Tdt_h；
电流瞬时值检测电路，用于检测输出电流瞬时值；
软件修改模块，与电流瞬时值检测电路和误差计算模块数据相接，用于在设定的较小电流阈值范围内，对输出电压波形畸变引起的Tdt_h检测误差进行软件修正，修正误差值为Tdt_s；
补偿模块，与软件修改模块和误差计算模块数据相接，用于形成死区补偿时间Tdt，并补偿到指令占空比中。
7.根据权利要求6所述的一种变频器死区补偿系统，其特征在于，所述占空比检测模块主要包括电压比较子模块、计数器、实际占空比计算子模块，所述电压比较子模块对PWM输出电压与母线电压中点电位进行比较，并在比较后形成的方波脉宽信号，且将该方波脉宽信号输送至计数器，所述计数器对方波脉宽信号的低电平或者高电平状态进行计数，得到一个PWM周期内的计数值变化量，并传输至实际占空比计算子模块；所述实际占空比计算子模块根据一个PWM周期内的计数值变化量计算得到输出电压的实际占空比。
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Effective date of registration: 20190802 Address after: 201615 Shanghai city Songjiang District town Jiuting Yaohan Road No. 77 Patentee after: Shanghai GIE EM Co., Ltd. Address before: 201615 Shanghai, Songjiang District, No. nine new road, No. 99 Patentee before: Yungtay elevator equipment Co., Ltd. (China) |
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