CN105897098A - 电机foc控制运算方法中死区效应的消除方法 - Google Patents

电机foc控制运算方法中死区效应的消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，首先判断a、b、c三相电流方向；其次根据a、b、c三相的电流方向的不同，在a、b、c三相的上桥臂或下桥臂分别插入2个死区时间；当电流方向为正方向时，上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间；当电流方向为负方向时，下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。通过这种方法，可有效解决现有技术中死区效应的消除不够准确及成本过高的技术问题。

Description

电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法
技术领域
本发明属于电机控制系统领域，具体涉及电机控制系统中FOC算法中死区效应的消除方法。
背景技术
目前，电机使用于吸尘器、洗衣机、厨房器具、电动车等各个领域中，FOC(场定向控制)算法逐渐替换原先的六步换相算法。FOC(field-oriented control)为磁场导向控制，又称为矢量控制(vectorcontrol)，是一种利用变频器(VFD)控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。
达姆施塔特工业大学的K.Hasse及西门子公司的F.Blaschke分别在1968年及1970年代初期提出矢量控制的概念。Hasse提出的是间接矢量控制，Blaschke提出的是直接矢量控制。布伦瑞克工业大学的维尔纳·莱昂哈德(Leonhard further)进一步开发磁场导向控制的控术，因此交流马达驱动器开始有机会取代直流马达驱动器。
当时微处理器尚未商品化，但已经出现泛用的交流马达驱动器。当时相较于直流马达驱动器，交流马达驱动器的成本高、架构复杂，而且不易维护。而当时的矢量控制需要许多传感器及放大器等元件，因此无法将矢量控制应用在交流马达驱动器中。
派克变换一直被用在同步马达及感应马达的分析及研究，是了解磁场导向控制最需要知道的概念。这个概念是罗伯特·派克(RobertPark)在1929年的论文中提出的。派克变换被列为二十世纪发表电力电子相关论文中，第二重要的论文。派克变换的重要性是可以将马达有关的微分方程，由变系数微分方程变成“时不变”系数的微分方程。矢量控制可以适用在交流感应马达及直流无刷马达，早期开发的目的为了高性能的马达应用，可以在整个频率范围内运转、马达零速时可以输出额定转矩、且可以快速的加减速。不过相较于直流马达，矢量控制可配合交流马达使用，马达体积小，成本及能耗都较低，因此开始受到产业界的关注。矢量控制除了用在高性能的马达应用场合外，也已用在一些家电中。
FOC算法增加了能量使用效率，稳定性以及转速范围，降低了电机运转时的噪音。但是在FOC算法中，为了防止同一桥臂的两个导通管同时导通(图1中的a、b、c三相)，必须在两个PWM信号之间插入数个微秒的死区(图2中的Tdt)。死区时间会导致基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应。
为了解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应问题，现今已有许多技术人员提出了各种补偿方法，来解决这一问题。不过现今这一问题的解决方法，大多可以分为两类，一是基于时间或平均电压的补偿方法，
现有技术中中国发明专利CN201110173719.1公开了一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法，包括开关函数建模、逆变桥模块和开关管、续流二极管与直流环电流模块，开关函数模块的输入为开关的门极触发脉冲，开关函数分别于逆变桥模块，以及开关管、续流二极管与直流环电流模块相连，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管、续流二级管与直流环电流模块输出逆变器各相的电流。而预测电流法能够较为精确的计算出补偿电压，但是该方法必须根据某一次的采样电流，结合电机数学模型和下一次的期望电流计算出补偿电压，这对处理器的运算速度和ADC(模数变换器)的采样速度有较高的要求，增加了产品成本。
现有技术中中国发明CN201210207837.7公开了一种逆变器死区补偿系统及方法，包括三相锁相环、第一旋转变换单元、低通滤波单元、反向变换单元；所述三相锁相环，用于对输入到电机三相电流进行处理获得电流角频率及选转角；所述第一旋转变换单元，用于按照所述选转角对电流进行选转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波单元，用于对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波；反向变换单元用于，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行反向变换，所述反向变换后的电流直接用于死区补偿中电流过零点判断。
现有技术中中国发明CN201410318983.3公开了一种变频器AVPWM波形死区补偿方法，包括确定AVPWM八个基本电压空间矢量的大小和位置；确定电流的方向；将死区影响全部集中在上桥或者下桥，通过计算电流极性将死区分为需要补偿和不需要补偿两部分，利用续流二极管提前或者延时死区时间，关断或打开IFBT模块，实现死区补偿。上述时间或平均电压的补偿方法虽简单易行，但是由于电流极性的检测非常重要，一旦检测错误，就会造成更大的误差；另外负载不同也会影响补偿电压，这一方法并没有考虑这一情况，因此补偿不够精确。也就无法彻底解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳等死区效应问题。
现有技术中，理想情况为Q1、Q2两个导通管完全互补，实际情况为导通管打开和关闭都有一定的时间Ton和Toff，以及为了避免两管同时导通而增加的死区时间Tdt。两者理想情况与实际情况相差(Tdt+Ton-Toff)，只需要根据极性加减(Tdt+Ton-Toff)即可。使用平均电压方法计算时，需要增大或减小α轴的电压分量(图3)，而改变电压就是增大或减小PWM(脉冲宽度调制)脉宽，计算得到的结果实际与通过时间补偿的计算结果相同。这样就可以解决死区时间导致的基波电压降低、电流弦波畸变、转矩波动电机不稳定等死区效应问题。
本发明通过分析死区效应的起因，提供了一种全新的消除死区效应的方法，该方法间接消除了死区效应的影响，对死区效应的消除更为准确；消除了平均电压补偿法不够精确的缺陷；与预测电流法相比，这种方法简单，无需太多处理器运算性能，也无需高性能的ADC(模数变换器)，因此更加简单、实用。
发明内容
本发明提供了一种全新的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，解决了以往电机FOC控制运算方法中死区效应消除不够准确及对设备性能要求高，结构复杂，成本大的问题。
本发明采用的具体技术方案是：
第一步：判断电流方向；电流方向的判断通过采样的a、b、c相电流计算得出，即通过双电阻测电流法得到ia和ib，采样电流ia和ib经过Clarke(克拉克)变换得到2轴静止坐标系的电流iα和iβ；再经过Park(帕克)变换得到2轴旋转坐标系下的id和iq；id和iq通过一个低通滤波器滤除高次谐波；得到的两个电流值用来判断电流的极性，最终确定电流的正负方向。明确三相的电流极性后即可计算出每一相的PWM脉宽。
第二步：根据a、b、c三相电流方向的不同，在a、b、c三项电路的上桥臂和下桥臂分别插入2个死区时间；当电流方向为正方向时，上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间；当电流方向为负方向时，下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法对于a相，当电流矢量位于0到π/2、3π/2到2π时，在下桥臂插入2个死区时间。
在本发明中消除FOC算法中死区效应的方法中对于其第二步中的a相，电流矢量位于π/2到3π/2时，在上桥臂插入2个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法对于b相，电流矢量位于π/6到7π/6时，在下桥臂插入2个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法对于b相，电流矢量位于0到π/6、7π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法对于c相，电流矢量位于5π/6到11π/6时，在下桥臂插入2个死区时间；
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法对于c相，电流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，当在下桥臂插入死区时间时，低电平区域两侧各插入一个死区时间。
在本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法当在上桥臂插入死区时间时，高电平区域两侧各插入一个死区时间。
本发明提供了一种全新的消除死区效应的方法，该方法间接消除了死区效应的影响，对死区效应的消除更为准确；消除了平均电压补偿法不够精确的缺陷；与预测电流法相比，这种方法简单，无需太多处理器运算性能，也无需高性能的ADC(模数变换器)，因此更加简单、实用。
附图说明
图1：现有技术中三相电机电路结构示意图；
图2：三相电机中的死区效应示意图；
图3：空间电压矢量示意图；
图4：三相电机整体电路结构示意图；
图5：三相电机控制部分电路图；
图6：三相电机驱动部分电路图；
图7：FOC算法总体方框图；
图8：三相电路a相电路结构图；
图9：正电流方向插入死区时间示意图；
图10：负电流方向插入死区时间示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例1：
本发明中电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法具体为，先进行电流方向的判断即通过双电阻测电流法，经过ADC得到两相电流，经过如图7，中FOC算法将采样得到的两相电流经过Clarke(克拉克)变换得到iα和iβ，再经过Park(帕克)变换得到两相旋转坐标系下的id和iq。id和iq通过一个低通滤波器滤除高次谐波，最后得到的两个电流值最终得到电流的极性。明确两相电流的极性后即可计算出每一相的PWM脉宽。
首先我们对两相电流中的各相电路进行分析。如图4，理想情况下，Q1和Q2不会同一时间导通，但是由于导通管的开启和关闭需要一定的时间，因此必须在Q1、Q2变化时插入几个微秒的死区时间。在死区时间中，Q1和Q2都处于关断状态，这时如果有电流流过，必定是流经上桥臂Q1中的二极管或下桥臂Q2的二极管。当电流方向为正时，电流流过下桥臂的二极管，死区箝位电压为-Udc/2，当电流方向为负时，电流流过上桥臂的二极管，死区箝位电压为Udc/2。非导通时间为(Tdt+Ton-Toff)，周期为T，假设某一时间的理想电压为U，那么当电流为正时，真正的电压为U-(Tdt+Ton-Toff)/T*Udc，当电流为负时，真正的电压为U+(Tdt+Ton-Toff)/T*Udc。误差电压即为死区效应的原因。
在本实施例的各相中，当电流方向为正方向时，若导通管Q1打开，电流从电源流出，流经导通管Q1，然后流向电机，若导通管Q1关闭时，电流通过导通管Q2的二极管，在这段时间内，导通管Q1的开关可以通断而对电机没有影响；当电流方向为负方向时，如果导通管Q2打开，电流从电源流出，再流经导通管Q2，如果导通管Q2关闭了，电流流经导通管Q1的二极管，在这段时间内，导通管Q1的开关可以通断而对电机没有影响。因此根据电流方向的不同，控制上下桥臂的通断即可。在每一个周期中，当电流方向为正，上桥臂按照计算得到的时间进行控制，对下桥臂插入2个死区，见图5；当电流方向为负，下桥臂按照计算得到的时间进行控制，对上桥臂插入2个死区，见图6。
如图8、9、10所述a相中当电流方向为正方向，导通管Q1关闭，电流通过Q2的二极管，导通管Q1的开关的开启关闭对电机没有影响，此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q2关闭，电流流经导通管Q1的二极管，在这段时间内，导通管Q2的开关可以通断而对电机没有影响，此时下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。通过这种方法来避免死区效应的产生。
所述b相中当电流方向为正方向，导通管Q3关闭，电流通过Q4的二极管，导通管Q3的开关的开启关闭对电机没有影响，此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q4关闭，电流流经导通管Q3的二极管，在这段时间内，导通管Q4的开关可以通断而对电机没有影响，此时下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。通过这种方法来避免死区效应的产生。
所述c相中当电流方向为正方向，导通管Q5关闭，电流通过Q6的二极管，导通管Q5的开关的开启关闭对电机没有影响,此时上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q6关闭，电流流经导通管Q5的二极管，在这段时间内，导通管Q6的开关可以通断而对电机没有影响,此时下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。通过这种方法来避免死区效应的产生。
这里的反馈电路分为两个小的子反馈电路，其直接与ADC电路相连接，用于获取反馈电流和转子位置，再计算出当前PWM的占空比，从而形成闭环网络，动态调节电压矢量，使电机稳定转动。
本发明中还涉及一种具体的实现FOC控制运算方法中死区效应的消除方法的电机控制系统，总体结构包括32位微控制器和电机驱动电路，其中32位微控制器包括32位CPU内核、12bit精度ADC、串口UART、3组6路PWM、位置传感器接口，其中ADC连接到电流反馈电路，PWM连接到三相逆变器，位置传感器接口连接到电机中的位置传感器。其中所述电机驱动电路反馈信息给微控制器，而微控制器通过PWM驱动来控制电机驱动电路。如图5，控制系统以32位MCU为主，共有3个作用：1、输出6路PWM控制MOS管的导通与关闭；2、使用ADC(模数转换)采样三相中2相的反馈电流，同时获取电机转子位置，再通过如图7，所述的FOC算法,计算出当前电压矢量，进而计算出PWM的占空比动态调整电压矢量，保证电机持续稳定转动；3、使用UART与电脑或其他终端通讯，接收终端的指令以及发送电机状态给终端。
如图6，电机驱动系统包括1个三相逆变器和电流反馈电路，这里的三相逆变器，根据控制部分的PWM来导通或关闭MOS管，形成三相交流电来驱动电机；所述三相逆变器包括6个PWM和六个二极MOS管组成a、b、c三相电路，所述a相电路包括Q1、Q2、PWM1H、PWM1L；所述b相电路包括Q3、Q4、PWM2H、PWM2L，其中PWM2H用于控制Q3的通断，PWM2L用来控制Q4的通断；所述c相电路包括Q5、Q6、PWM3H、PWM3L，其中PWM3H用于控制Q5的通断，PWM3L用来控制Q6的通断；
如图8、9、10所述a相中当电流方向为正方向，导通管Q1关闭，电流通过Q2的二极管，导通管Q1的开关的开启关闭对电机没有影响，此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q2关闭，电流流经导通管Q1的二极管，在这段时间内，导通管Q2的开关可以通断而对电机没有影响，此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。
所述b相中当电流方向为正方向，导通管Q3关闭，电流通过Q4的二极管，导通管Q3的开关的开启关闭对电机没有影响，此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q4关闭，电流流经导通管Q3的二极管，在这段时间内，导通管Q4的开关可以通断而对电机没有影响，此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。
所述c相中当电流方向为正方向，导通管Q5关闭，电流通过Q6的二极管，导通管Q5的开关的开启关闭对电机没有影响,此时在上桥臂按照计算得到的脉宽控制通断时间，下桥臂插入2个死区时间，通过这一方法来避免死区效应的产生。当电流为负方向，导通管Q6关闭，电流流经导通管Q5的二极管，在这段时间内，导通管Q6的开关可以通断而对电机没有影响,此时在下桥臂按照计算得到的时间控制通道时间，在上桥臂插入2个死区时间，通过这种方法来避免死区效应的产生。
这里的反馈电路分为两个小的子反馈电路，其直接与ADC电路相连接，用于获取反馈电流和转子位置，再计算出当前PWM的占空比，从而形成闭环网络，动态调节电压矢量，使电机稳定转动。
本发明中a、b、c三相的电流方向与死区位置对应关系如下：
对于a相，当电流矢量位于0到π/2、3π/2到2π时，在下桥臂插入2个死区；当电流矢量位于π/2到3π/2时，在上桥臂插入2个死区。
对于b相，当电流矢量位于π/6到7π/6时，在下桥臂插入2个死区；当电流矢量位于0到π/6、7π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区。
对于c相，电流矢量位于5π/6到11π/6时，在下桥臂插入2个死区；电流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区。

Claims (10)

1.一种电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：第一步：判断a、b、c三相电流方向；第二步：根据a、b、c三相的电流方向的不同，在a、b、c三相的上桥臂或下桥臂分别插入2个死区时间；当电流方向为正方向时，上桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在上桥臂不插入死区时间，在下桥臂插入两个死区时间；当电流方向为负方向时，下桥臂按照计算得到的脉宽时间执行通断操作，在下桥臂不插入死区时间，在上桥臂插入两个死区时间。
2.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：所述第一步中判断电流方向的方法为：(1)通过ADC采样得到a、b、c电流；(2)经过FOC算法得到id和iq；(3)经过一个低通滤波器滤除高次谐波，获得较为平缓的电流波形；(4)计算出矢量电流的角度，从而得到三相电流的正负方向。
3.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：所述第二步中对于a相，电流矢量位于0到π/2、3π/2到2π时，在下桥臂插入2个死区时间。
4.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：所述第二步中对于a相，电流矢量位于π/2到3π/2时，在上桥臂插入2个死区时间。
5.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：所述第二步中对于b相，电流矢量位于π/6到7π/6时，在下桥臂插入2个死区时间。
6.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：所述第二步中对于b相，电流矢量位于0到π/6、7π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区时间。
7.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：对于c相，电流矢量位于5π/6到11π/6时，在下桥臂插入2个死区时间。
8.根据权利要求1中所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：对于c相，电流矢量位于0到5π/6、11π/6到2π时，在上桥臂插入2个死区时间。
9.根据权利要求3、5、7中任一所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：当在下桥臂插入死区时间时，在低电平区域两侧各插入一个死区时间。
10.根据权利要求4、6、8任一所述的电机FOC控制运算方法中死区效应的消除方法，其特征在于：当在上桥臂插入死区时间时，在高电平区域两侧各插入一个死区时间。
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