CN113824365B - 一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制的死区补偿技术领域，具体为一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法，解决了背景技术中的技术问题，其包括低速区死区补偿方法和高速区死区补偿方法，低速区死区补偿方法分为低速区电流预测和死区补偿两步，高速区死区补偿方法分为高速区电流预测和死区补偿两步。利用坐标变换和异步电机等效模型相结合的方式对电机电流进行预测，通过预测电机电流来进行死区补偿，通过本发明所述的死区补偿方法进行控制后，避免了本拍采样电流进行死区补偿时存在延迟的情况，能够准确检测电流过流点，能准确进行死区补偿；本发明所述方法考虑了开关器件IGBT的导通压降和开关管的开通关断延迟，进一步确保死区补偿准确性。

Description

一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法

技术领域

本发明属于电机控制的死区补偿技术领域，涉及异步电机，具体为一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法。

背景技术

电力机车的逆变器主电路拓扑一般采用桥式电路结构，如图1所示。桥臂的开关器件采用高电压等级的IGBT，由于IGBT本身不是理想器件，存在开通和关断延迟，因此需要给同一桥臂的上下IGBT驱动脉冲中加入一定的死区时间才能为保证开关器件的可靠工作，而高压等级的IGBT的开通和关断延迟更为严重，因此为了保证器件可靠工作，需要给上下管的驱动脉冲加入更长的死区时间，加入的死区时间会导致实际输出电压波形和理论电压波形不一致的问题，从而引起了死区效应，以A桥臂为例对死区效应进行分析，V1和V2对应A桥臂的上下管，V3和V4对应B桥臂的上下管，V5和V6对应C桥臂的上下管，当A相电流大于零时，逆变器实际输出的波形比理论值缺少一个死区脉冲电压，当A相电流小于零时，逆变器实际输出的波形比理论值增加一个死区脉冲电压，导致的实际输出电压波形和理论波形不一致，产生死区效应，对电机正常运行产生影响。死区效应会产生不同频次的谐波电压和电流，影响电机运行，尤其是变频调速系统在低速轻载工况下，死区效应更为恶劣，因此有必要对死区进行补偿。

现有技术中通常通过判断负载电流的极性，将死区时间加到驱动脉冲上进行死区补偿。该方法主要存在两点的问题：第一、由于逆变器采用的数字控制方式，数字控制会产生延迟，本拍计算的结果下一拍才会生效，从而导致根据本拍采样电流进行死区补偿具有延迟性，无法准确检测电流过流点，导致不能准确进行死区补偿；第二、不考虑开关器件IGBT的导通压降和开关管的开通关断延迟，导致该方法死区补偿不准确。

发明内容

本发明旨在解决通过判断负载电流的极性，将死区时间加到驱动脉冲上进行死区补偿的方法存在变频器采用的数字控制器存在一定延迟，本拍计算的结果到下一拍才进行更新，导致过零点附件死区补偿效果较差的技术问题，提供了一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法，包括低速区死区补偿方法和高速区死区补偿方法；

Ι、低速区死区补偿方法分两步完成：

第一步：低速电流预测，通过dq轴电流给定值对异步电机三相电流进行预测，计算过程如式(1)至式(3)所示，首先根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，

φ＝θ+w_e*T_s (1)，

式(1)中，θ代表本拍同步旋转角度；w_e代表电机电角速度；T_s代表采样时间；φ代表下一拍同步旋转角度；然后将dq轴电流给定值通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，

式(2)中，i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表α、β轴预测电流值；最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示，

第二步，对三相电机电流预测值进行死区补偿；其中对A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法为：若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，则将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间；若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，则不对上管V1和下管V2进行处理；若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，则不对上管V1和下管V2进行处理；若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，则将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间；对B相电机电流预测值i_{B_pre}和C相电机电流预测值i_{C_pre}的死区补偿方法均与A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法相同；

Ⅱ、高速区死区补偿方法分两步完成：

第一步：高速电流预测，根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，然后将弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示；

其中弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}的计算过程为：根据异步电机的T型等效电路对dq轴电流给定值进行预测，异步电机的dq轴电压方程如式(4)和式(5)所示：

式中,U_d、U_q分别代表d、q轴电压，λ为磁链；R_s、L_s、L_m、L_r分别是异步电机定子电阻、定子电感、互感和转子电感；励磁电流变化率通过i_d和i_{d_pre}得到，如公式(6)所示，同理转矩电流变化率计算公式如(7)所示，

式中，i_{d_pre}代表弱磁电流预测值；i_{q_pre}代表转矩电流预测值；i_d代表d轴本拍励磁电流，i_q代表q轴本拍励磁电流；将式(6)和式(7)分别带入式(4)和式(5)可得：

通过式(8)和式(9)得到i_{d_pre}和i_{q_pre}；

第二步：对三相电机电流预测值进行死区补偿；高速区死区补偿方法与低速区时对三相电机电流预测值的死区补偿方法相同。

本发明的有益效果是：利用坐标变换和异步电机等效模型相结合的方式对电机电流进行预测，通过预测电机电流来进行死区补偿，通过本发明所述的死区补偿方法进行控制后，避免了本拍采样电流进行死区补偿时存在延迟的情况，能够准确检测电流过流点，能准确进行死区补偿；本发明所述方法考虑了开关器件IGBT的导通压降和开关管的开通关断延迟，进一步确保死区补偿准确性。

附图说明

图1为背景技术中所述三相逆变器的主电路图。

图2为三相逆变器低速阶段的矢量控制框图，其中虚线框为本发明所述低速区死区补偿方法的控制框图。

图3为三相逆变器A相电机电流预测值i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时死区补偿过程的波形图(其中a)为三相逆变器A相桥臂拓扑结构，b)为理论波形图，c)为进行死区补偿后的波形图，d)为c)的波形通过svpwm发生器的死区模块处理后的波形图)。

图4为三相逆变器A相电机电流预测值i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时死区补偿过程的波形图(其中a)为三相逆变器A相桥臂拓扑结构，b)为理论波形图，c)为进行死区补偿后的波形图，d)为c)的波形通过svpwm发生器的死区模块处理后的波形图)。

图5为三相逆变器A相电机电流预测值i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时死区补偿过程的波形图(其中a)为三相逆变器A相桥臂拓扑结构，b)为理论波形图，c)为进行死区补偿后的波形图，d)为c)的波形通过svpwm发生器的死区模块处理后的波形图)。

图6为三相逆变器A相电机电流预测值i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时死区补偿过程的波形图(其中a)为三相逆变器A相桥臂拓扑结构，b)为理论波形图，c)为进行死区补偿后的波形图，d)为c)的波形通过svpwm发生器的死区模块处理后的波形图)。

图7为三相逆变器高速阶段的矢量控制框图，其中虚线框为本发明所述高速区死区补偿方法的控制框图。

具体实施方式

参照图1至图7，对本发明所述的一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法进行详细说明。

一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法，包括低速区死区补偿方法和高速区死区补偿方法；

Ι、低速区死区补偿方法分两步完成(当低于额定速度时为低速区)，如图2所示：

第一步：低速电流预测，通过dq轴电流给定值对异步电机三相电流进行预测，计算过程如式(1)至式(3)所示，首先根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，

φ＝θ+w_e*T_s (1)，

式(1)中，θ代表本拍同步旋转角度；w_e代表电机电角速度；T_s代表采样时间；φ代表下一拍同步旋转角度；然后将dq轴电流给定值通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，

式(2)中，i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表α、β轴预测电流值；最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示，

二步，对三相电机电流预测值进行死区补偿；其中对A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法为：

若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，由图3中的a)和b)可知A桥臂的拓扑结构以及上管V1导通、下管V2关断时的理论波形图，V_AO为桥臂AO之间的电压，将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间，经过死区补偿后的波形图如图3中的c)所示，如图2所示，经过死区补偿后的电流输送至svpwm发生器，svpwm发生器的死区模块对c)中的波形继续进行处理，根据图3中的d)可见，只将上管V1的上升沿延迟T_{_dead}时间，下管V2的下降沿保持不变；

若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，由图4中的a)和b)可知A桥臂的拓扑结构以及上管V1关闭、下管V2导通时的理论波形图，不对上管V1和下管V2进行处理，则经过死区补偿后的波形图如图4中的c)所示，其与理论波形图保持一致，如图2所示，经过死区补偿后的电流输送至svpwm发生器，svpwm发生器的死区模块对c)中的波形继续进行处理，根据图4中的d)可见，只将下管V2的上升沿延迟T_{_dead}时间，上管V1的下降沿保持不变；

若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，由图5中的a)和b)可知A桥臂的拓扑结构以及上管V1导通、下管V2关断时的理论波形图，不对上管V1和下管V2进行处理，则经过死区补偿后的波形图如图5中的c)所示，其与理论波形图保持一致，如图2所示，经过死区补偿后的电流输送至svpwm发生器，svpwm发生器的死区模块对c)中的波形继续进行处理，根据图5中的d)可见，只将上管V1的上升沿延迟T_{_dead}时间，下管V2的下降沿保持不变；

若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，由图6中的a)和b)可知A桥臂的拓扑结构以及上管V1关断、下管V2导通时的理论波形图，将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间，经过死区补偿后的波形图如图6中的c)所示，如图2所示，经过死区补偿后的电流输送至svpwm发生器，svpwm发生器的死区模块对c)中的波形继续进行处理，根据图6中的d)可见，只将上管V1的下降沿保持不变，下管V2的上升沿延迟T_{_dead}时间；对B相电机电流预测值i_{B_pre}和C相电机电流预测值i_{C_pre}的死区补偿方法均与A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法相同；

Ⅱ、高速区死区补偿方法分两步完成(高于额定速度属于高速区)，如图7所示：

第一步：高速电流预测，根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，然后将弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示；

其中弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}的计算过程为：根据异步电机的T型等效电路对dq轴电流给定值进行预测，异步电机的dq轴电压方程如式(4)和式(5)所示：

式中,U_d、U_q分别代表d、q轴电压，λ为磁链；R_s、L_s、L_m、L_r分别是异步电机定子电阻、定子电感、互感和转子电感；励磁电流变化率通过i_d和i_{d_pre}得到，如公式(6)所示，同理转矩电流变化率计算公式如(7)所示，

式中，i_{d_pre}代表弱磁电流预测值；i_{q_pre}代表转矩电流预测值；i_d代表d轴本拍励磁电流，i_q代表q轴本拍励磁电流；将式(6)和式(7)分别带入式(4)和式(5)可得：

通过式(8)和式(9)得到i_{d_pre}和i_{q_pre}；

第二步：对三相电机电流预测值进行死区补偿；高速区死区补偿方法与低速区时对三相电机电流预测值的死区补偿方法相同。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种基于电流预测的适用于异步电机控制的死区补偿方法，其特征在于，包括低速区死区补偿方法和高速区死区补偿方法；

Ι、低速区死区补偿方法分两步完成：

第一步：低速电流预测，通过dq轴电流给定值对异步电机三相电流进行预测，计算过程如式(1)至式(3)所示，首先根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，

φ＝θ+w_e*T_s (1)，

式(1)中，θ代表本拍同步旋转角度；w_e代表电机电角速度；T_s代表采样时间；φ代表下一拍同步旋转角度；然后将dq轴电流给定值通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，

式(2)中，i_{α_pre}、i_{β_pre}分别代表α、β轴预测电流值；最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示，

第二步，对三相电机电流预测值进行死区补偿；其中对A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法为：若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，则将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间；若i_{A_pre}>0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，则不对上管V1和下管V2进行处理；若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1导通、下管V2关断时，则不对上管V1和下管V2进行处理；若i_{A_pre}<0且A桥臂的上管V1关断、下管V2导通时，则将上管V1的上升沿和下管V2的下降沿均提前T_{_dead}时间；对B相电机电流预测值i_{B_pre}和C相电机电流预测值i_{C_pre}的死区补偿方法均与A相电机电流预测值i_{A_pre}的死区补偿方法相同；

Ⅱ、高速区死区补偿方法分两步完成：

第一步：高速电流预测，根据式(1)计算用于坐标变换所需要的角度φ，然后将弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}通过反Park坐标变换得到i_{α_pre}、i_{β_pre}，计算过程如式(2)所示，最后通过2/3变换得到静止坐标系下的三相电机电流预测值i_{A_pre}、i_{B_pre}和i_{C_pre}，计算过程如式(3)所示；

其中弱磁电流预测值i_{d_pre}和转矩电流预测值i_{q_pre}的计算过程为：根据异步电机的T型等效电路对dq轴电流给定值进行预测，异步电机的dq轴电压方程如式(4)和式(5)所示：

式中,U_d、U_q分别代表d、q轴电压，λ为磁链；R_s、L_s、L_m、L_r分别是异步电机定子电阻、定子电感、互感和转子电感；励磁电流变化率通过i_d和i_{d_pre}得到，如公式(6)所示，同理转矩电流变化率计算公式如(7)所示，

式中，i_{d_pre}代表弱磁电流预测值；i_{q_pre}代表转矩电流预测值；i_d代表d轴本拍励磁电流，i_q代表q轴本拍励磁电流；将式(6)和式(7)分别带入式(4)和式(5)可得：

通过式(8)和式(9)得到i_{d_pre}和i_{q_pre}；

第二步：对三相电机电流预测值进行死区补偿；高速区死区补偿方法与低速区时对三相电机电流预测值的死区补偿方法相同。