CN111697897A - 基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法 - Google Patents

基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法，本方法采集电机三相瞬时电流，得到三相电流瞬时平均值；将电机三相电流瞬时平均值变换到dq轴的电流，变换过程采用的角度经补偿后得到；输入电流指令分别与dq轴的电流作差，其差值经运算后得到dq轴旋转坐标系下的电压指令；根据dq轴电流和电压指令计算预测电流，将dq轴电压参考指令变换到静止αβ坐标系下的电压参考指令；将dq轴预测电流信号变换到死区补偿需要的三相瞬时预测电流，并计算三相瞬时死区误差电压补偿占空比；将静止αβ坐标系下的电压指令的三相占空比与死区误差电压补偿占空比叠加，驱动电机运行。本方法通过预测电流实现死区时间的补偿。

Description

基于预测电流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，尤其涉及一种基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法。
背景技术
目前电机逆变器的控制一般采用PWM脉宽调制技术，为了避免同一逆变器桥臂的上下两个功率开关管同时切换导致的逆变器直通问题，必须插入死区时间，由于死区的存在，不可避免的造成逆变器输出电压的损失，继而使输出电流谐波含量增大，输出扭矩脉动增加，更有甚者，造成电机低速运行时的抖振等问题。为了弥补死区存在造成的不足，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等功率管的开通时间Ton、关断时间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。
中国专利文献CN 109756100 A公开了一种电机控制器的死区时间测量方法，其可以用来测量出实际的死区时间或死区时间引起的电压损失，然后再根据实际采集电流并结合死区时间测量值就可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，该方案虽然可以较为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，而且电路设计较为复杂。
2、直接利用电机控制器本身通过一定的软件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单片机ROM中，在电机控制器运行时再根据反馈电流查找对应的死区时间实时进行补偿；但由于死区具有零电流钳位的特征，加之采样电流的跳动，导致该方法在三相电流过零点附近易出现误补偿；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，根据实际相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，这种现象会随着载波比的降低而愈发严重，这就造成电流基波频率较高时死区补偿不准确；另外，基于反馈电流的死区补偿，在电流指令动态变化时，受电流环电流调节带宽的影响，以及电机本体定子绕组电阻和电感参数对电流响应能力的限制，使采样到的电流通常滞后于电压一定的时间，不能实时的进行死区补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法，本方法通过内建准确的磁链表和动态电感表，结合电机非线性模型和矢量控制输出电压，预测得到提前节拍的电流，然后在精确的死区损耗模型基础上进行死区补偿。
为解决上述技术问题，本发明基于预测电流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k时刻电机三相瞬时电流ia M(k)、ib M(k)和ic M(k)，并与k-1时刻采集电流ia M(k-1)、ib M(k-1)和ic M(k-1)作平均运算，得到(k-1)/2时刻三相电流瞬时平均值：
Figure BDA0002514258770000021
其中，ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)分别为电机三相电流瞬时平均值；
步骤二、经过坐标变换模块将三相静止坐标系下的电机三相电流瞬时平均值ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)变换到dq旋转坐标系下的id M(k)和iq M(k)，其中坐标变换模块在变换过程采用的角度θ1(k)是由角度传感器检测到的电机转子角度，电机转子角度θe(k)为经过第一角度补偿模块补偿后的角度，
θ1(k)＝θe(k)-ωe(k)t1 (2)
式中，t1是电流采集总延迟时间，其包含硬件电路传输延迟时间和电流平均延迟时间，ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤三、电机控制器输入的电流指令id *(k)和iq *(k)分别与id M(k)和iq M(k)作差，其差值分别经过电流调节器模块进行运算,得到dq轴旋转坐标系下的电压指令ud M(k)和uq M(k)，
Figure BDA0002514258770000031
式中，Kpd、Kitd和Kpq、Kitq分别为d、q轴电流调节器增益，z-1为单位延迟因子；
步骤四、利用得到的id M(k)和iq M(k)、ud M(k)和uq M(k)计算预测电流id P(k+1)和iq P(k+1)：
Figure BDA0002514258770000032
式中，
Figure BDA0002514258770000033
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的磁链，
Figure BDA0002514258770000034
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的动态电感，Rs为电机定子绕组电阻，Ts为控制周期；
步骤五、经过逆Park变换模块将电压参考指令ud M(k)和uq M(k)变换到静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ2是由角度传感器检测到的电机转子角度θe经过第二角度补偿模块补偿后的角度，
θ2(k)＝θe(k)+ωe(k)t2 (5)
式中，t2是电压输出总延迟时间；ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤六、预测电流信号id P(k+1)、iq P(k+1)和电机转子角度信号θe经过坐标变换模块得到死区补偿需要的三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)，
Figure BDA0002514258770000035
根据三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)查找功率开关管的Vce+Vf表和死区时间Tdtotal表，得到由功率开关管的饱和压降Vce和二极管的导通压降Vf导致的真实的误差电压Vce+Vf以及死区时间Tdtotal；其中，Vce+Vf通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间Tdtotal通过离线测量得到，
Tdtotal＝Td+Ton-Toff (7)
式中，Td、Ton和Toff分别为功率开关管的死区时间、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8，
Figure BDA0002514258770000041
式中，Vdc是电机控制器中逆变器的直流母线电压，Tpwm是逆变器的PWM开关周期，
得到三相死区误差电压值ΔVa、ΔVb、ΔVc，计算三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δda、Δdb和Δdc，
Figure BDA0002514258770000042
步骤七、将静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)经过SVPWM模块产生三相占空比da、db和dc，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Δda、Δdb和Δdc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。
由于本发明基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法采用了上述技术方案，即本方法采集k时刻电机三相瞬时电流并与k-1时刻采集电流作平均运算，得到(k-1)/2时刻三相电流瞬时平均值；将三相静止坐标系下的电机三相电流瞬时平均值变换到dq旋转坐标系下的id M(k)和iq M(k)，变换过程采用的角度θ1(k)经补偿后得到；输入电流指令分别与id M(k)和iq M(k)作差，其差值经运算后得到dq轴旋转坐标系下的电压指令；根据dq轴电流和电压指令计算预测电流，将dq轴电压参考指令变换到静止αβ坐标系下的电压参考指令；将dq轴预测电流信号变换到死区补偿需要的三相瞬时预测电流，并计算三相瞬时死区误差电压补偿占空比；将静止αβ坐标系下的电压指令的三相占空比与死区误差电压补偿占空比叠加，驱动电机运行。本方法通过内建准确的磁链表和动态电感表，结合电机非线性模型和矢量控制输出电压，预测得到提前节拍的电流，然后在精确的死区损耗模型基础上进行死区补偿。
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为本发明基于预测电流的电机控制器死区时间补偿方法原理图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明基于预测电流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k时刻电机三相瞬时电流ia M(k)、ib M(k)和ic M(k)，并与k-1时刻采集电流ia M(k-1)、ib M(k-1)和ic M(k-1)作平均运算，得到(k-1)/2时刻三相电流瞬时平均值：
Figure BDA0002514258770000051
其中，ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)分别为电机三相电流瞬时平均值；
步骤二、经过坐标变换模块将三相静止坐标系下的电机三相电流瞬时平均值ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)变换到dq旋转坐标系下的id M(k)和iq M(k)，其中坐标变换模块在变换过程采用的角度θ1(k)是由角度传感器检测到的电机转子角度，电机转子角度θe(k)为经过第一角度补偿模块补偿后的角度，
θ1(k)＝θe(k)-ωe(k)t1 (2)
式中，t1是电流采集总延迟时间，其包含硬件电路传输延迟时间和电流平均延迟时间，ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤三、电机控制器输入的电流指令id *(k)和iq *(k)分别与id M(k)和iq M(k)作差，其差值分别经过电流调节器模块进行运算,得到dq轴旋转坐标系下的电压指令ud M(k)和uq M(k)，
Figure BDA0002514258770000052
式中，Kpd、Kitd和Kpq、Kitq分别为d、q轴电流调节器增益，z-1为单位延迟因子；
步骤四、利用得到的id M(k)和iq M(k)、ud M(k)和uq M(k)计算预测电流id P(k+1)和iq P(k+1)：
Figure BDA0002514258770000061
式中，
Figure BDA0002514258770000062
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的磁链，
Figure BDA0002514258770000063
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的动态电感，Rs为电机定子绕组电阻，Ts为控制周期；
步骤五、经过逆Park变换模块将电压参考指令ud M(k)和uq M(k)变换到静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ2是由角度传感器检测到的电机转子角度θe经过第二角度补偿模块补偿后的角度，
θ2(k)＝θe(k)+ωe(k)t2 (5)
式中，t2是电压输出总延迟时间；ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤六、预测电流信号id P(k+1)、iq P(k+1)和电机转子角度信号θe经过坐标变换模块得到死区补偿需要的三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)，
Figure BDA0002514258770000064
根据三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)查找功率开关管的Vce+Vf表和死区时间Tdtotal表，得到由功率开关管的饱和压降Vce和二极管的导通压降Vf导致的真实的误差电压Vce+Vf以及死区时间Tdtotal；其中，Vce+Vf通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间Tdtotal通过离线测量得到，
Tdtotal＝Td+Ton-Toff (7)
式中，Td、Ton和Toff分别为功率开关管的死区时间、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8，
Figure BDA0002514258770000065
式中，Vdc是电机控制器中逆变器的直流母线电压，Tpwm是逆变器的PWM开关周期，
得到三相死区误差电压值ΔVa、ΔVb、ΔVc，计算三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δda、Δdb和Δdc，
Figure BDA0002514258770000071
步骤七、将静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)经过SVPWM模块产生三相占空比da、db和dc，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Δda、Δdb和Δdc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。
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Vce和二极管的导通压降Vf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Vce和二极管的导通压降Vf的特性曲线，从而使得死区误差电压补偿更加精确。
本方法对三相采集电流进行平滑处理及其延时补偿，结合内建准确的电机数学模型磁链表和动态电感表，实现三相电流提前节拍的准确预测，克服了现有技术中电机控制器的死区时间补偿电流采样延时造成的死区时间补偿不精确，避免了电流钳位造成的死区误补偿现象，同时在电流指令变化时采用的是提前节拍预测电流，死区补偿的实时性得到提高，补偿电压更为精准，电流谐波有一定程度的降低，确保了电机更优的驱动性能。

Claims (1)

1.一种基于预测电流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k时刻电机三相瞬时电流ia M(k)、ib M(k)和ic M(k)，并与k-1时刻采集电流ia M(k-1)、ib M(k-1)和ic M(k-1)作平均运算，得到(k-1)/2时刻三相电流瞬时平均值：
Figure FDA0002514258760000011
其中，ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)分别为电机三相电流瞬时平均值；
步骤二、经过坐标变换模块将三相静止坐标系下的电机三相电流瞬时平均值ia M(k-1/2)、ib M(k-1/2)和ic M(k-1/2)变换到dq旋转坐标系下的id M(k)和iq M(k)，其中坐标变换模块在变换过程采用的角度θ1(k)是由角度传感器检测到的电机转子角度，电机转子角度θe(k)为经过第一角度补偿模块补偿后的角度，
θ1(k)＝θe(k)-ωe(k)t1 (2)
式中，t1是电流采集总延迟时间，其包含硬件电路传输延迟时间和电流平均延迟时间，ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤三、电机控制器输入的电流指令id *(k)和iq *(k)分别与id M(k)和iq M(k)作差，其差值分别经过电流调节器模块进行运算,得到dq轴旋转坐标系下的电压指令ud M(k)和uq M(k)，
Figure FDA0002514258760000012
式中，Kpd、Kitd和Kpq、Kitq分别为d、q轴电流调节器增益，z-1为单位延迟因子；
步骤四、利用得到的id M(k)和iq M(k)、ud M(k)和uq M(k)计算预测电流id P(k+1)和iq P(k+1)：
Figure FDA0002514258760000021
式中，
Figure FDA0002514258760000022
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的磁链，
Figure FDA0002514258760000023
分别为由id M(k)、iq M(k)查表得到的动态电感，Rs为电机定子绕组电阻，Ts为控制周期；
步骤五、经过逆Park变换模块将电压参考指令ud M(k)和uq M(k)变换到静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)，其中逆Park变换模块在变换过程采用的角度θ2是由角度传感器检测到的电机转子角度θe经过第二角度补偿模块补偿后的角度，
θ2(k)＝θe(k)+ωe(k)t2 (5)
式中，t2是电压输出总延迟时间；ωe(k)是k时刻电机电角速度；
步骤六、预测电流信号id P(k+1)、iq P(k+1)和电机转子角度信号θe经过坐标变换模块得到死区补偿需要的三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)，
Figure FDA0002514258760000024
根据三相瞬时预测电流ia P(k+1)、ib P(k+1)和ic P(k+1)查找功率开关管的Vce+Vf表和死区时间Tdtotal表，得到由功率开关管的饱和压降Vce和二极管的导通压降Vf导致的真实的误差电压Vce+Vf以及死区时间Tdtotal；其中，Vce+Vf通过功率开关管数据手册中的曲线拟合得到，死区时间Tdtotal通过离线测量得到，
Tdtotal＝Td+Ton-Toff (7)
式中，Td、Ton和Toff分别为功率开关管的死区时间、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8，
Figure FDA0002514258760000025
式中，Vdc是电机控制器中逆变器的直流母线电压，Tpwm是逆变器的PWM开关周期，
得到三相死区误差电压值ΔVa、ΔVb、ΔVc，计算三相瞬时死区误差电压补偿占空比Δda、Δdb和Δdc，
Figure FDA0002514258760000031
步骤七、将静止αβ坐标系下的uα M(k)和uβ M(k)经过SVPWM模块产生三相占空比da、db和dc，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Δda、Δdb和Δdc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。
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