CN113300621A - 一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法 - Google Patents

一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法，该方法包括以下步骤：（1）在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息并经过静止坐标变换，合成参考电压矢量V ref；（2）根据参考电压矢量V ref的幅值和相角确定扇区；所述扇区包括正常运行区域和误差自校正区域；（3）当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述扇区内修改PWM发波方式；（4）对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。本发明的自校正方法能够使控制系统保持良好的稳态性能且易于实现。

Description

一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法
技术领域
本发明涉及三相电源中的零点漂移矫正的技术领域，具体涉及一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法。
背景技术
高性能交流电驱动系统中，实现对三相电压源型逆变器(Voltage sourceinverter，VSI)负载电流的实时控制至关重要如图1所示。通常，将分流器或霍尔传感器等电流传感器安装于VSI交流输出侧来采集相电流信息，以实现闭环控制。同时也可以安装于直流母线侧，以实现过载保护和直流短路保护。然而，多个电流传感器既增加了系统成本，又因传感器间的不一致性影响了电驱动系统的控制性能。单电流传感器相电流采样技术通过对直流母线瞬时电流的分时刻采集，并将其映射至不同的相电流，实现了相电流的单传感器采集，降低了系统成本，同时也消除了多传感器不一致性对系统性能的影响，是电驱动控制领域的研究热点。但是，由于老化、干扰、环境等因素影响会造成霍尔电流传感器、电压基准、运算放大器等元器件产生零点漂移现象，从而导致直流母线电流发生零点漂移，进而引发不平衡电流、转速/转矩脉动、控制系统性能下降等不良后果。
因此，若要保证相电流信息的准确采集，就必须消除因零点漂移现象而产生的采样误差，此时需要对电流采样过程进行优化，现有改进措施主要有以下两种：（1）直流偏置误差补偿算法。利用基尔霍夫电流定律确定无误差电流项，接着进行静止坐标变换并利用陷波滤波器对直流偏置误差进行补偿，最后设置PI控制器用来抑制滤波器的干扰信号和电路参数变化对系统的负面影响。（2）检测电压矢量注入法。该方法是在传统空间矢量脉宽调制技术的特定开关周期内插入测量电压矢量以满足对误差值的计算，再利用误差曲线实现对零点漂移误差的校正。
由上述可知现有两种主要的优化零点漂移误差补偿方法。（1）基于直流偏置误差补偿算法设计陷波滤波器会因扇区的变化导致采样三相电流值的变换，使得在每个扇区需要重新进行的坐标变换，补偿算法冗长，增长误差矫正时间。估算得到的误差值会因PI控制器参数值的设定而变化，故估算精度受PI控制器影响较大。（2）检测电压矢量注入法会因额外测量矢量的加入，增大负载相电流噪声，不能完成相电流值精确采样，导致控制系统的稳定性降低。下面对现有技术客观缺点出现的原因做简要概述。
典型单电流传感器相电流采样技术电流采样原理如图2所示，直流母线电流零点漂移主要包括电压基准漂移、霍尔电流传感器零点漂移和运算放大器零点漂移。当电流发生零点漂移后，会产生漂移量∆i，使得重构相电流整体偏移实测相电流值。
（1）霍尔电流传感器零点漂移：受温度和封装应力的影响，由传感器内部霍尔元件和运算放大器产生的漂移，直接造成了霍尔电流传感器输出信号的零点漂移。
（2）电压基准漂移：电压基准芯片的输出精度和稳定性是其最重要的性能，受初始精度、温度漂移、噪声等因素影响，其输出电压信号偏离理论值所造成的漂移量。随着电力电子技术和微控制器技术的发展，现代永磁同步电机的驱动多采用三相全桥逆变拓扑结构。在此种驱动方式下，母线电流蕴含了绕组各相电流的信息，通过对母线电流的采集进行相电流的重构便是建立在此基础上的。
（3）运算放大器零点漂移：放大器内部元器件参数不一致性，环境温度变化等因素将会导致零点漂移现象，其中温度是漂移现象产生最主要原因。
检测电压矢量插入法如图3所示，以Ⅰ扇区为例，利用SVPWM策略在固定载波周期内插入测量矢量V011和V100，根据插入后的PWM波形采样点ispl1和ispl2的位置来采集相电流ia和-ia的值，实现对零点漂移误差的计算。从对应的PWM波形中可以看出，插入测量矢量后，PWM波形不再保持对称性，会导致电流谐波含量的增加进而增大电机的转矩波动，降低控制系统的稳定性。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置和方法，主要由新型零点漂移误差检测PWM波发生和互补电流采样误差自校正两部分组成，可以准确高效地实现零点漂移误差的计算和重构相电流的自校正，同时对电机的转矩波动影响较小，噪声低，母线电流无反相现象，稳定性好。
一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息并经过静止坐标变换，合成参考电压矢量V ref；
步骤2：根据参考电压矢量V ref的幅值和相角确定扇区；所述扇区分为正常运行区域和误差自校正区域；
步骤3：当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述确定扇区内修改PWM发波方式；
步骤4：对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。
进一步的，当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，包括以下步骤：
步骤3.1：在所述确定扇区内插入2个互补电压矢量代替零矢量；
步骤3.2：计算所述确定扇区内的开关动作时间；
步骤3.3：对动作寄存器进行赋值；
步骤3.4：依据所述开关动作时间和所述动作寄存器的赋值修改PWM发波方式。
进一步的，对采集到的互补相电流进行零点误差自校正，包括以下步骤：
步骤4.1：在一个载波周期内，对插入的所述互补电压矢量进行采样，得到采样电流I 1和I 2，假设实际电流值为I r，零点漂移导致的电流漂移量为I d，则，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）
步骤4.2：由于零点漂移的存在，由公式(1)可得，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
(2)；
步骤4.3：由公式（2）可计算出漂移量I d，从而得到校正后的电流I c1和I c2为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
(3)。
另外，该发明还涉及一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置，包括采样模块、坐标变换模块、扇区确定模块、PWM波发生模块和互补电流采样误差自校正模块；所述采样模块用于在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息，所述坐标变换模块用于将采集到的相电流经过静止坐标变换到αβ坐标系，所述扇区确定模块根据合成的参考电压矢量V ref的幅值和相位确定扇区，所述扇区分为正常运行区域和误差自校正区域；当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述确定扇区内修改所述PWM波发生模块的发波方式，所述互补电流采样误差自校正模块对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。
同样，进一步的，当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，所述PWM波发生模块在所述确定扇区内插入2个互补电压矢量，计算所述确定扇区内的开关动作时间，和对动作寄存器进行赋值，并依据所述开关动作时间和所述动作寄存器的赋值修改PWM发波方式。
进一步的，所述互补电流采样误差自校正模块包括：在一个载波周期内，对插入的所述互补电压矢量采样得到电流I 1和I 2，假设实际电流值为I r，零点漂移导致的电流漂移量为I d，计算得出漂移量I d，得到校正后的电流I c1和I c2为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
(4)。
本发明具有如下的技术效果：
1、相较于直流偏置误差补偿算法，该发明通过在固定矢量平面区域修改PWM发波方式实现三相两电平逆变器母线电流零点漂移的自校正，主要有以下显著效果：
（1）因用互补矢量代替零电压矢量，保留了PWM波形的对称性，使控制系统保持良好的稳态特性；
（2）不引入复杂的补偿算法，不用重新规划电路拓扑结构，可以准确高效地实现零点漂移误差的计算和重构相电流的自校正。
2、检测电压矢量插入法，该发明在无需插入特定的采样矢量，保留了传统SVPWM策略良好的动静态特性，不会出现非对称现象，电流谐波无明显增长，对电机的转矩波动影响较小，噪声低，母线电流无反相现象，稳定性好。
3、易于实现。该发明用单电流传感器实现相电流信息的采集，避免因三个电流传感器采样不一致所带来的传感器误差，相较于其它方法，零点漂移误差自校正算法简单，可操作性强，性能提升。
附图说明
图1 三相两电平逆变器电路拓扑；
图2 典型单电流传感器相电流采样技术原理；
图3 检测电压矢量插入法原理；
图4 本发明零点漂移误差检测Vref合成过程(Ⅰ扇区)；
图5 本发明各扇区开关动作时间表；
图6 本发明各扇区动作寄存器赋值表；
图7 本发明零点漂移误差检测PWM波形合成过程(Ⅰ扇区)；
图8 本发明零点漂移误差检测电流采集过程(Ⅰ扇区)；
图9 本发明三相两电平逆变电路母线电流零点漂移自校正方法实现过程图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施方式。注意，本发明可以以各种不同的模式实现，并且本领域的技术人员将容易认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以以各种方式修改本发明的模式和细节。因此，本发明不应被解释为限于对实施方式的描述。注意，在下面描述的本发明的结构中，在不同的附图中共同使用表示相同部分的附图标记。
注意，在本说明书等中，术语“被连接”是指“被电连接”，并且对应于能够提供或传输电流，电压，电势，信号，电荷等的状态。因此，“连接”状态不仅指直接连接状态，还指通过例如布线，导电膜，电阻器，二极管，晶体管或开关元件的间接连接状态。
新型零点漂移误差检测PWM波行发生过程如下：
以Ⅰ扇区为例，新型零点漂移误差检测PWM波行发生过程中参考电压矢量V ref合成过程如图4所示。根据TMS320F28035中ePWM模块中计数器周期值将整个矢量平面划分为正常运行区域和误差自校正区域。在一个PWM载波周期内，若V ref位于正常运行区域，如图4中（a）所示，作用时间为T 1和T 2的两个相邻电压矢量V 1和V 2用于合成V ref，剩余时间T0用零电压失量(111)或(000)补充，且，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(1)
若V ref位于误差自校正区域，传统SVPWM策略中V 0和V 7将被互补有效电压矢量V 3和V 6代替，该过程如图4中(b)所示。将T0平均分配到两个互补矢量，即T 0/2=T 3=T 6，则零电压矢量可用式(2)表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(2)
式中V 3和V 6为两个互补电压矢量，可见插入互补有效电压矢量作用效果与零矢量相同，代替了零矢量。
上述V ref合成过程对应PWM波形产生过程如图7所示，其中各扇区开关动作时间和动作寄存器赋值如图5和图6所示。
互补电流采样误差自校正过程如下：
新型零点漂移误差检测电流采样过程如图8所示，图中上半部分为Ⅰ扇区误差自校正区域对应的PWM波形，下半部分对应直流母线电流。利用采样时刻T spl1和T spl2可以实现对互补电流值i a和-i a的采样。由图8可知，当两个互补电压矢量作用时，所对应直流母线电流大小相等，方向相反。因此在一个载波周期内，对插入的互补电压矢量进行采样，得到采样电流I 1和I 2。假设实际电流值为I r，零点漂移导致的电流漂移量为I d，则，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(3)
实际电路中，由于零点漂移的存在，由公式(3)可得，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(4)
由此可计算出漂移量I d，从而得到校正后的电流I c1和I c2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(5)
三相两电平逆变电路母线电流零点漂移自校正方法通过在一个PWM载波周期内对插入互补电压矢量进行采样，实现了漂移量Id的检测，其具体实现过程如图9所示。负载三相电流值i a、i b和i c经过静止坐标变换后转为参考电压矢量V ref，再根据其幅值和相角确定扇区，经过新型零点漂移误差检测PWM波形发生，最后对采集到的互补相电流进行零点漂移误差自校正。
另外，该发明还涉及一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置，包括采样模块、坐标变换模块、扇区确定模块、PWM波发生模块和互补电流采样误差自校正模块；所述采样模块用于在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息，所述坐标变换模块用于将采集到的相电流经过静止坐标变换到αβ坐标系，所述扇区确定模块根据合成的参考电压矢量V ref的幅值和相位确定扇区，所述扇区分为正常运行区域和误差自校正区域；当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述确定扇区内修改所述PWM波发生模块的发波方式，所述互补电流采样误差自校正模块对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息并经过静止坐标变换，合成参考电压矢量V ref；
步骤2：根据参考电压矢量V ref的幅值和相角确定扇区；所述扇区分为正常运行区域和误差自校正区域；
步骤3：当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述确定扇区内修改PWM发波方式；
步骤4：对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3为：当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，包括以下步骤：
步骤3.1：在所述确定扇区内插入2个互补电压矢量代替零矢量；
步骤3.2：计算所述确定扇区内的开关动作时间；
步骤3.3：对动作寄存器进行赋值；
步骤3.4：依据所述开关动作时间和所述动作寄存器的赋值修改PWM发波方式。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4为：对采集到的互补相电流进行零点误差自校正，包括以下步骤：
步骤4.1：在一个载波周期内，对插入的所述互补电压矢量进行采样，得到采样电流I 1和I 2，假设实际电流值为I r，零点漂移导致的电流漂移量为I d，则，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
步骤4.2：由于零点漂移的存在，由公式(1)可得，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(2)；
步骤4.3：由公式（2）可计算出漂移量I d，从而得到校正后的电流I c1和I c2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(3)。
4.一种三相两电平逆变器母线电流零点漂移自校正装置，其特征在于，包括采样模块、坐标变换模块、扇区确定模块、PWM波发生模块和互补电流采样误差自校正模块；所述采样模块用于在直流母线上设置单电流传感器采集相电流信息，所述坐标变换模块用于将采集到的相电流经过静止坐标变换到αβ坐标系，所述扇区确定模块根据合成的参考电压矢量V ref的幅值和相位确定扇区，所述扇区分为正常运行区域和误差自校正区域；当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，在所述确定扇区内修改所述PWM波发生模块的发波方式，所述互补电流采样误差自校正模块对采集到的互补相电流进行零点误差自校正。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，当参考电压矢量V ref位于所述误差自校正区域时，所述PWM波发生模块在所述确定扇区内插入2个互补电压矢量，计算所述确定扇区内的开关动作时间，和对动作寄存器进行赋值，并依据所述开关动作时间和所述动作寄存器的赋值修改PWM发波方式。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述互补电流采样误差自校正模块包括：在一个载波周期内，对插入的所述互补电压矢量采样得到电流I 1和I 2，假设实际电流值为I r，零点漂移导致的电流漂移量为I d，计算得出漂移量I d，得到校正后的电流I c1和I c2为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(4)。
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