CN106301039A - 交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法和装置，使用直流母线电压预测值，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*，再执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。本发明解决了现有技术直流母线电压采样和补偿方法实施的时间延迟问题，对直流母线纹波电压做精确的补偿控制，尽可能避免驱动器脉宽调制输出的失真，输出电压、电流波形的畸变，减少输出谐波含量，提高驱动器的驱动性能。

Description

交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法和装置
技术领域
本发明涉及电机驱动器技术领域，具体而言，尤其涉及一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法和装置。
背景技术
对于电机驱动器而言，直流母线纹波对逆变器输出PWM脉冲进行幅度调制会导致脉冲宽度调制失真。该直流母线纹波主要来自于两个方面的原因：1、单相或三相交流电经全桥整流变成的脉动直流电包含两倍或六倍于输入交流电频率的低频纹波；2、直流母线电容的直流输入功率和交流输出功率无法实时匹配时，即当逆变电压在过零点附近时，交流侧的瞬时输出功率远小于直流侧的输入功率，故纹波电压位于波峰位置；当逆变电压在波峰或波谷位置附近时，交流侧的瞬时输出功率远大于直流侧的输入功率，此时纹波电压则位于波谷位置。直流母线纹波会随着负载的增大而增大，这不光影响驱动器的驱动性能，造成脉宽调制输出失真，电压、电流波形输出畸变，输出电流甚至会出现振荡，导致驱动器的停机。
现有的交流电机驱动器直流母线纹波电压补偿技术一般采用以下几种：1.加大直流母线电容容量，增加储能，滤除直流母线纹波电压；2.加入交流电抗器或直流母线电抗器，抑制纹波电压的产生；3.加入PFC(功率因素校正)电路并结合PFC软件控制算法控制纹波电压。
出于成本及可靠性考虑，须尽可能地减少硬件的投入，所以基于软件的补偿算法尤为必要。如申请号为CN02115213.6的专利《纹波幅度调制补偿方法和装置》和申请号为CN201410151274.0的专利《一种直流母线电压纹波补偿方法》，这些补偿算法是根据当前直流母线的电压值进行输出波形调制，但这些补偿方法始终都存在一个载波周期的时间延迟的问题。载波周期的时间延迟是由于现有PWM(脉宽调制)的功能局限性所致，从图1所示可知，在CPU修改缓存器比较值后不会立即反映到硬件的输出，需要等到下一周期，这样就存在了一个载波周期的时间延迟。
如图2和图3所示，调制计算时所使用的采样电压值(电压值点1所示)和一个载波周期后直流母线电压值(电压值点2所示)可能会相差很大。在大纹波电压以及长载波周期的情况下，载波周期时延前后的电压差将不能被忽视。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种直流母线纹波电压的预测和补偿方法和装置，用于解决直流母线电压采样和补偿算法实施的时间延迟，并基于该算法对直流母线纹波电压做精确的补偿控制，尽可能避免交流电机驱动器脉宽调制输出的失真，输出电压、电流波形的畸变，减少输出谐波含量，提高驱动器的驱动性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法包括如下步骤：
S1、PWM重载中断步骤；
S2、电压预测值Vdc计算处理步骤；
S3、电流控制步骤，执行电机控制算法，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
S4、电压变换步骤，使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；
S5、PWM调整步骤，执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
优选的，所述S2具体包括，
S21、采样步骤，在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
S22、高频滤波步骤，将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；
S23、硬件校准步骤，读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；
S24、直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取步骤，判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；
S25、预测步骤，根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
S26、预测值限幅步骤，根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc。
优选的，所述S22中，使用一阶IIR无限长脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，
所述滤波处理的滤波算法为：y(k)＝b1*x(k)+b2*x(k-1)-a2*y(k-1)；其中x(k)为当前输入量，x(k-1)为上一次的输入量，y(k)为输出量，y(k-1)为上一次的输出量；b1,b2,a2为滤波系数。
优选的，所述S23中，所述校准算法为：Vdc(k)＝k*Vdc_filtered+b，其中，k、b为校准参数值。
优选的，所述S24中，包括如下步骤，
S241，高频滤波步骤，使用一截止频率为600Hz的低通滤波器对校准后电压值Vdc(k)进行滤波处理，滤波后电压值为Vdc_ripple；
S242，对比步骤，采集一组连续的滤波后电压值Vdc_ripple，采集时逐个比较得到这一组连续值中的临时最大值Vdc_max*和临时最小值Vdc_min*，然后分别更新到局部最大值Vdc_max＝Vdc_max*和局部最小值Vdc_min＝Vdc_min*，其中，比较算法为：
Vdc_max*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple大于Vdc_max*
Vdc_min*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple小于Vdc_min*
其中Vdc_max*为临时最大值，Vdc_max*为临时最小值。
优选的，所述S26中，所述限幅算法为，
其中，限幅值Vdc_max和Vdc_min来自于所述窗口观察器。
优选的，所述S4中，所述纹波电压补偿算法为
其中y＝sgn(x)函数定义如下：
Ualpha、Ubeta是输入电压量，Ualpha*、Ubeta*是输出电压量。InvModIndex依赖于所选的调制技术，对SVPWM空间矢量调制技术和三次谐波注入调制技术该值等于0.866025.。
本发明还揭示了一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿装置，包括：
PWM重载中断单元；
电压预测值Vdc计算处理单元；
电流控制单元，用于执行电机控制单元，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
电压变换单元，用于使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；
PWM调整单元，用于执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
优选的，所述电压预测值Vdc计算处理单元具体包括：
采样子单元，用于在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
高频滤波子单元，用于将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；
硬件校准子单元，用于读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；
直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取子单元，用于判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；
预测子单元，用于根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
预测值限幅子单元，用于根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc。
本发明的有益效果主要体现在：解决了现有技术直流母线电压采样和补偿方法实施的时间延迟问题，对直流母线纹波电压做精确的补偿控制，尽可能避免驱动器脉宽调制输出的失真，输出电压、电流波形的畸变，减少输出谐波含量，提高驱动器的驱动性能。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：PWM波形发生简要示意图；
图2：直流母线纹波电压与时间的关系示意图；
图3：图2中虚线框的放大图；
图4：本发明直流母线纹波电压预测步骤具体流程示意图；
图5：本发明直流母线纹波电压补偿流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明揭示了一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法包括如下步骤：
S1、PWM重载中断步骤；
S2、电压预测值Vdc计算处理步骤；
S3、电流控制步骤，执行电机控制算法，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
S4、电压变换步骤，使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*，所述纹波电压补偿算法为：
其中y＝sgn(x)函数定义如下：
Ualpha、Ubeta是输入电压量，Ualpha*、Ubeta*是输出电压量。InvModIndex依赖于所选的调制技术，对SVPWM空间矢量调制技术和三次谐波注入调制技术该值等于0.866025.。
S5、PWM调整步骤，采用上述S4得到的Ualpha*和Ubeta*，执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
优选的，所述S2具体包括，
S21、采样步骤，在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
S22、高频滤波步骤，将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；具体为使用一阶IIR无限长脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，
所述滤波处理的滤波算法为：y(k)＝b1*x(k)+b2*x(k-1)-a2*y(k-1)；其中x(k)为当前输入量，x(k-1)为上一次的输入量，y(k)为输出量，y(k-1)为上一次的输出量；b1,b2,a2为滤波系数。
S23、硬件校准步骤，读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；所述校准算法为：Vdc(k)＝k*Vdc_filtered+b，其中，k、b为校准参数值。
S24、直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取步骤，判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；具体包括如下步骤，
S241，高频滤波步骤，使用一截止频率为600Hz的低通滤波器对校准后电压值Vdc(k)进行滤波处理，滤波后电压值为Vdc_ripple；
S242，对比步骤，每隔100ms采集20个连续的滤波后电压值Vdc_ripple，采集时逐个比较得到这20个连续值中的临时最大值Vdc_max*和临时最小值Vdc_min*，然后分别更新到局部最大值Vdc_max＝Vdc_max*和局部最小值Vdc_min＝Vdc_min*，其中，比较算法为：
Vdc_max*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple大于Vdc_max*
Vdc_min*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple小于Vdc_min*
其中Vdc_max*为临时最大值，Vdc_max*为临时最小值。
S25、预测步骤，根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
S26、预测值限幅步骤，根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc，所述限幅算法为，
其中，限幅值Vdc_max和Vdc_min来自于所述窗口观察器。
本发明的直流母线预测算法及纹波电压补偿控制，不仅可以用于单相或三相交流变频器，还可以用于车辆电池供电的电机驱动器，可变频的逆变器以及任何需要对直流母线纹波进行补偿的设备。
本发明还揭示了一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿装置，包括：
PWM重载中断单元；
电压预测值Vdc计算处理单元；
电流控制单元，用于执行电机控制单元，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
电压变换单元，用于使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；
PWM调整单元，用于执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
优选的，所述电压预测值Vdc计算处理单元具体包括：
采样子单元，用于在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
高频滤波子单元，用于将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；
硬件校准子单元，用于读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；
直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取子单元，用于判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；
预测子单元，用于根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
预测值限幅子单元，用于根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、PWM重载中断步骤；
S2、电压预测值Vdc计算处理步骤；
S3、电流控制步骤，执行电机控制算法，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
S4、电压变换步骤，使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；
S5、PWM调整步骤，执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
2.根据权利要求1所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S2具体包括，
S21、采样步骤，在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
S22、高频滤波步骤，将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；
S23、硬件校准步骤，读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；
S24、直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取步骤，判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；
S25、预测步骤，根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
S26、预测值限幅步骤，根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc。
3.根据权利要求2所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S22中，使用一阶IIR无限长脉冲响应低通滤波器进行滤波处理，
所述滤波处理的滤波算法为：y(k)＝b1*x(k)+b2*x(k-1)-a2*y(k-1)；其中x(k)为当前输入量，x(k-1)为上一次的输入量，y(k)为输出量，y(k-1)为上一次的输出量；b1,b2,a2为滤波系数。
4.根据权利要求2所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S23中，所述校准算法为：Vdc(k)＝k*Vdc_filtered+b，其中，k、b为校准参数值。
5.根据权利要求2所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S24中，包括如下步骤，
S241，高频滤波步骤，使用一截止频率为600Hz的低通滤波器对校准后电压值Vdc(k)进行滤波处理，滤波后电压值为Vdc_ripple；
S242，对比步骤，采集一组连续的滤波后电压值Vdc_ripple，采集时逐个比较得到这一组连续值中的临时最大值Vdc_max*和临时最小值Vdc_min*，然后分别更新到局部最大值Vdc_max＝Vdc_max*和局部最小值Vdc_min＝Vdc_min*，其中，比较算法为：
Vdc_max*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple大于Vdc_max*
Vdc_min*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple小于Vdc_min*
其中Vdc_max*为临时最大值，Vdc_max*为临时最小值。
6.根据权利要求2所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S26中，所述限幅算法为，
其中，限幅值Vdc_max和Vdc_min来自于所述窗口观察器。
7.根据权利要求1所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿方法，其特征在于：所述S4中，所述纹波电压补偿算法为
其中y＝sgn(x)函数定义如下：
Ualpha、Ubeta是输入电压量，Ualpha*、Ubeta*是输出电压量。InvModIndex依赖于所选
的调制技术，对SVPWM空间矢量调制技术和三次谐波注入调制技术该值等于0.866025.。
8.一种交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿装置，其特征在于：包括
PWM重载中断单元；
电压预测值Vdc计算处理单元；
电流控制单元，用于执行电机控制单元，按磁链定向矢量控制得到的磁链控制电压分量和转矩控制电压分量，经由反PARK变换得到定子电压参考坐标系中alpha轴、beta轴下Ualpha电压值和Ubeta电压值；
电压变换单元，用于使用直流母线电压预测值Vdc，通过纹波电压补偿算法进行电压补偿计算，得到SVPWM空间矢量调制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；
PWM调整单元，用于执行SVPWM空间矢量调制算法，设定PWM缓冲寄存器，更新flag，CPU在下一重载周期自动装载新的值并输出PWM波形。
9.根据权利要求8所述的交流电机驱动器直流母线纹波电压预测及补偿装置，其特征在于：所述电压预测值Vdc计算处理单元具体包括，
采样子单元，用于在PWM重载中断函数中触发ADC模数转换器采样，读取直流母线电压值为Vdc_unfiltered；
高频滤波子单元，用于将采样得到的直流母线电压值Vdc_unfiltered滤除1KHz以上的高频干扰信号后，高频滤波电压值为Vdc_filtered；
硬件校准子单元，用于读取存贮器中校准参数值，通过校准算法对所述高频滤波电压值Vdc_filtered进行校准计算，校准后电压值为Vdc(k)；
直流母线纹波电压的局部最大值和局部最小值的获取子单元，用于判断并得到直流母线纹波电压的窗口观察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；
预测子单元，用于根据预测算法得到直流母线纹波电压预测值Vdc_predicted，其中预测算法为，
Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是当前母线电压值；Vdc(k-1)是上次母线电压值；Vdc_predicted母线电压预测值；Gain是预测系数，是当前电压值与上次电压值的差值对预测值的影响因子，经验取为0.5；
预测值限幅子单元，用于根据限幅算法处理得到电压预测值Vdc。
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