CN110098774A - 基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法，本方法将电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c经过变换得到DQ旋转坐标系下的I_dfbk和I_qfbk；电机控制器输入的电流指令I_dref和I_qref分别与I_dfbk和I_qfbk做差后得到电压参考指令，将该指令变换到静止αβ坐标系下的V_α和V_β；在电机控制器中设置死区补偿模块，其电流输入信号为I_dfbk和I_qfbk，角度输入信号为经补偿的电机转子角度，经电流预测模块得到死区补偿需要的三相瞬时电流，然后查表得到误差电压以及死区时间，经计算得到三相瞬时死区误差电压补偿占空比；该补偿占空比与V_α和V_β经过SVPWM模块产生的三相占空比叠加输入PWM驱动模块后经逆变器驱动电机运行。本方法提高不同工况下死区时间补偿精度，确保电机的有效、可靠控制。

Description

基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法。

背景技术

目前电机控制基本都采用脉宽调制技术，为了避免同一桥臂的上下两个功率开关管同时导通，必须插入死区时间，这就不可避免的会造成逆变器输出电压的损失，输出电流谐波含量的增大，更有甚者，造成电机低速时的抖动等问题，为了解决死区时间造成的这些问题，必须对死区时间造成的电压损失进行补偿；然而，由于逆变器自身的非线性及IGBT等功率管的Ton、Toff等参数随电流大小变化的特性，实际的死区时间并不等于插入PWM驱动脉冲中的死区时间，需要通过其他方法来测量出实际的死区时间或死区时间引起的电压损失，然后再根据测量出的实际死区时间或死区电压损失值实时对控制器输出电压进行补偿。现有技术中关于死区时间补偿的技术方案主要有：

1、由额外设计的硬件电路对逆变器输出的电压脉冲进行采样，检测实际输出电压脉冲中的死区时间，然后再根据该死区时间在线实时补偿控制器输出电压，该方案虽然可以精确补偿死区损失电压，但是需要额外的硬件电路，增加了硬件成本，而且设计较为复杂；

2、直接利用电机控制器本身通过一定的算法离线测量出不同电流下总的死区时间或死区损失电压，然后以表格形式将不同电流下的死区时间或死区损失电压存储在电机控制器的ROM中，在电机控制器运行时再根据实际电流查找对应的死区时间实时进行补偿；但是该方法在电机控制器实际运行条件(包括母线电压和开关频率等)与离线测量死区时间或死区损失电压时的运行条件保持一致时补偿才是准确的，在其他母线电压或开关频率下会有很大的误差；同时，由于电流采样的滤波延时及PWM数字控制的延时问题存在，根据实际电流进行查表补偿死区时间时，会出现查表所用的电流值与实际补偿起作用时的电流值之间存在很大的差异，这种现象会随着电流基波频率的升高而愈发严重，这就造成电流基波频率较高时死区补偿不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法，本方法有效解决现有技术中电机控制器死区时间补偿方案中存在硬件设计复杂，成本高，不同工况下死区时间补偿误差较大的问题，确保电机的有效、可靠控制。

为解决上述技术问题，本发明基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法包括如下步骤：

步骤一、通过电流传感器采集得到电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c，经过坐标变换模块将三相静止坐标系下的电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c变换到DQ旋转坐标系下的I_dfbk和I_qfbk，其中坐标变换模块在变换过程采用的角度θ_park是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第一角度补偿模块补偿后的角度，

θ_park＝θ-ω_et_cursampdelay (1)

式中，t_cursampdelay是电流采样延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤二、电机控制器输入的电流指令I_dref和I_qref分别与I_dfbk和I_qfbk做差，其差值分别经过PI控制模块得到DQ旋转坐标系下的电压参考指令V_d和V_q，经过逆Park变换模块将电压参考指令V_d和V_q变换到静止αβ坐标系下的V_α和V_β，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ_invpark是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第三角度补偿模块补偿后的角度，

θ_invpark＝θ+ω_et_pwmdelay (2)

式中，t_pwmdelay是PWM数字控制延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤三、在电机控制器中设置死区补偿模块，死区补偿模块的电流输入信号I_d和I_q是来自坐标变换模块的输出电流反馈信号I_dfbk和I_qfbk，角度输入信号θ_dtc是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第二角度补偿模块补偿后的角度，

θ_dtc＝θ+ω_et_gap (3)

式中，t_gap是本次电流采样时刻到下次电压指令起作用的时间间隔，ω_e是电机电角速度，

电流输入信号I_d、I_q和角度输入信号θ_dtc经过电流预测模块得到死区补偿需要的三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c，

根据三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c查找V_ce+V_f表和死区时间T_dtotal表，得到由功率开关管的饱和压降V_ce和二极管的导通压降V_f导致的误差电压V_ce+V_f以及死区时间T_dtotal，其中，V_ce+V_f通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间T_dtotal通过离线测量得到，T_dtotal＝T_d+T_on-T_off，其中T_d为电机控制器设定的死区时间、T_on和T_off分别为功率开关管的开通延时时间和关断延时时间；

根据死区时间及功率开关管的非线性特性造成的死区误差电压表达式：

得到三相死区误差电压值ΔV，ΔV除以V_dc得到三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c；

式中，V_dc是电机控制器中逆变器的直流母线电压值，T_pwm是逆变器的PWM开关周期值；

步骤四、静止αβ坐标系下的V_α和V_β经过SVPWM模块产生三相占空比d_a、d_b和d_c，并分别与死区补偿模块输出的三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c相加得到新的三相占空比d′_a、d′_b和d′_c，三相占空比d′_a、d′_b和d′_c输入PWM驱动模块后经逆变器驱动电机运行。

由于本发明基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法采用了上述技术方案，即本方法通过电流传感器采集得到电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c，经过变换得到DQ旋转坐标系下的I_dfbk和I_qfbk，变换过程采用的角度由电机转子角度经补偿得到；电机控制器输入的电流指令I_dref和I_qref分别与I_dfbk和I_qfbk做差后经PI控制模块得到电压参考指令V_d和V_q，将电压参考指令变换到静止αβ坐标系下的V_α和V_β；在电机控制器中设置死区补偿模块，其电流输入信号为I_dfbk和I_qfbk，角度输入信号为经补偿的电机转子角度，并经电流预测模块得到死区补偿需要的三相瞬时电流，然后查表得到误差电压以及死区时间，经计算得到三相瞬时死区误差电压补偿占空比；该补偿占空比与静止αβ坐标系下的V_α和V_β经过SVPWM模块产生的三相占空比叠加输入PWM驱动模块后经逆变器驱动电机运行。本方法有效解决现有技术中电机控制器死区时间补偿方案中存在硬件设计复杂，成本高，不同工况下死区时间补偿误差较大的问题，确保电机的有效、可靠控制。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法包括如下步骤：

步骤一、通过电流传感器1采集得到电机M三相瞬时电流i_a、i_b和i_c，经过坐标变换模块2将三相静止坐标系下的电机M三相瞬时电流i_a、i_b和i_c变换到DQ旋转坐标系下的I_dfbk和I_qfbk，其中坐标变换模块2在变换过程采用的角度θ_park是由角度传感器3检测到的电机M转子角度θ经过第一角度补偿模块4补偿后的角度，

θ_park＝θ-ω_et_cursampdelay (1)

式中，t_cursampdelay是电流采样延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤二、电机控制器输入的电流指令I_dref和I_qref分别与I_dfbk和I_qfbk做差，其差值分别经过PI控制模块得到DQ旋转坐标系下的电压参考指令V_d和V_q，经过逆Park变换模块将电压参考指令V_d和V_q变换到静止αβ坐标系下的V_α和V_β，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ_invpark是由角度传感器3检测到的电机M转子角度θ经过第三角度补偿模块7补偿后的角度，

θ_invpark＝θ+ω_et_pwmdelay， (2)

式中，t_pwmdelay是PWM数字控制延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤三、在电机控制器中设置死区补偿模块8，死区补偿模块8的电流输入信号I_d和I_q是来自坐标变换模块2的输出电流反馈信号I_dfbk和I_qfbk，角度输入信号θ_dtc是由角度传感器3检测到的电机M转子角度θ经过第二角度补偿模块9补偿后的角度，

θ_dtc＝θ+ω_et_gap (3)

式中，t_gap是本次电流采样时刻到下次电压指令起作用的时间间隔，ω_e是电机电角速度，

电流输入信号I_d、I_q和角度输入信号θ_dtc经过电流预测模块81得到死区补偿需要的三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c，

根据三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c查找V_ce+V_f表和死区时间T_dtotal表，得到由功率开关管的饱和压降V_ce和二极管的导通压降V_f导致的误差电压V_ce+V_f以及死区时间T_dtotal，其中，V_ce+V_f通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间T_dtotal通过离线测量得到，T_dtotal＝T_d+T_on-T_off，其中T_d为电机控制器设定的死区时间、T_on和T_off分别为功率开关管的开通延时时间和关断延时时间；

根据死区时间及功率开关管的非线性特性造成的死区误差电压表达式：

得到三相死区误差电压值ΔV，ΔV除以V_dc得到三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c；

式中，V_dc是电机控制器中逆变器10的直流母线电压值，T_pwm是逆变器10的PWM开关周期值；

步骤四、静止αβ坐标系下的V_α和V_β经过SVPWM模块11产生三相占空比d_a、d_b和d_c，并分别与死区补偿模块8输出的三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c相加得到新的三相占空比d′_a、d′_b和d′_c，三相占空比d′_a、d′_b和d′_c输入PWM驱动模块12后经逆变器10驱动电机M运行。

本方法克服了现有技术中电机控制器的死区时间补偿硬件设计复杂，成本高，死区时间补偿不精确，误差较大等缺陷。本方法通过精确的离线测量死区时间，可以对死区误差电压中的两部分分别进行补偿，对由死区时间造成的误差电压部分补偿时，可以在任意母线电压和开关频率下均能够精确补偿，使得死区误差电压补偿更加灵活和精确；而对于功率开关管的饱和压降V_ce和二极管的导通压降V_f导致的误差电压进行补偿时，可以利用功率开关管的数据手册中的饱和压降V_ce和二极管的导通压降V_f的特性曲线，从而使得死区误差电压补偿更加精确，同时使用预测的三相电流瞬时值进行查表，在电流基波频率较高的工况下，使得死区补偿更为精确，确保了电机的有效、可靠控制。

Claims (1)

1.一种基于电流预测的电机控制器死区时间补偿方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、通过电流传感器采集得到电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c，经过坐标变换模块将三相静止坐标系下的电机三相瞬时电流i_a、i_b和i_c变换到DQ旋转坐标系下的I_dfbk和I_qfbk，其中坐标变换模块在变换过程采用的角度θ_park是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第一角度补偿模块补偿后的角度，

θ_park＝θ-ω_et_cursampdelay (1)

式中，t_cursampdelay是电流采样延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤二、电机控制器输入的电流指令I_dref和I_qref分别与I_dfbk和I_qfbk做差，其差值分别经过PI控制模块得到DQ旋转坐标系下的电压参考指令V_d和V_q，经过逆Park变换模块将电压参考指令V_d和V_q变换到静止αβ坐标系下的V_α和V_β，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ_invpark是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第三角度补偿模块补偿后的角度，

θ_invpark＝θ+ω_et_pwmdelay (2)

式中，t_pwmdelay是PWM数字控制延迟时间，ω_e是电机电角速度；

步骤三、在电机控制器中设置死区补偿模块，死区补偿模块的电流输入信号I_d和I_q是来自坐标变换模块的输出电流反馈信号I_dfbk和I_qfbk，角度输入信号θ_dtc是由角度传感器检测到的电机转子角度θ经过第二角度补偿模块补偿后的角度，

θ_dtc＝θ+ω_et_gap (3)

式中，t_gap是本次电流采样时刻到下次电压指令起作用的时间间隔，ω_e是电机电角速度，

电流输入信号I_d、I_q和角度输入信号θ_dtc经过电流预测模块得到死区补偿需要的三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c，

根据三相瞬时电流i′_a、i′_b和i′_c查找V_ce+V_f表和死区时间T_dtotal表，得到由功率开关管的饱和压降V_ce和二极管的导通压降V_f导致的误差电压V_ce+V_f以及死区时间T_dtotal，其中，V_ce+V_f通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间T_dtotal通过离线测量得到，T_dtotal＝T_d+T_on-T_off，其中T_d为电机控制器设定的死区时间、T_on和T_off分别为功率开关管的开通延时时间和关断延时时间；

根据死区时间及功率开关管的非线性特性造成的死区误差电压表达式：

得到三相死区误差电压值ΔV，ΔV除以V_dc得到三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c；

式中，V_dc是电机控制器中逆变器的直流母线电压值，T_pwm是逆变器的PWM开关周期值；

步骤四、静止αβ坐标系下的V_α和V_β经过SVPWM模块产生三相占空比d_a、d_b和d_c，并分别与死区补偿模块输出的三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δd_a、Δd_b和Δd_c相加得到新的三相占空比d′_a、d′_b和d′_c，三相占空比d′_a、d′_b和d′_c输入PWM驱动模块后经逆变器驱动电机运行。