CN1325177A - 减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备和方法 - Google Patents

Abstract

减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备和方法,该设备包括整流器元件,与整流元件并联的上下DC链接电容器,对整流元件输出的DC电压执行充放电操作;与电容器并联根据与开关信号一起从电容器放电的电压产生使三相电动机旋转的三相电压的变换器,电压命令发生器,根据电容器间电压差、电动机实际转速和命令速度差及电动机转子位置计算含变换器中的A和B相的开关元件的相应开关操作的补偿分量,提供含计算的补偿分量的相应开关时间,控制电动机的转速。

Description

减小三相电动机中转矩脉动的 相位畸变补偿设备和方法

本发明涉及用四个开关元件控制三相电动机速度的设备和方法，尤其涉及利用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备和方法，它能直接或间接检测与包括开关元件的变换器(inverter)的相应开关引线相连接的上下DC链接电容器之间的电压差，根据检测到的电压差调节相电压的相应开关时间，从而减小三相电动机中产生的转矩脉动。

图1是使用四个开关元件的传统三相电动机控制器的方框图。如图1所示，三相电动机控制器包括一对DC链接电容器，即上方DC链接电容器3和下方DC链接电容器4，分别适于接收AC电压整流后的DC电压，并将DC电压存储在其中。三相电动机控制器还包括B4变换器2，该变换器配置成在从每个电容器3和4提供DC电压时响应开关控制信号而接通或断开，从而提供适于使三相电动机1旋转的三相电压。三相电动机1与B4变换器2的相应开关引线连接并与上下DC链接电容器3和4之间的连接节点连接。

通常，变换器是已知的，用六个开关元件控制三相电动机。但是，这种变换器很昂贵。为了降低这种变换器的成本，提出一种用四个开关元件控制三相电动机的变换器。这种变换器的一个例子是图1所示的B4变换器2。

现在，描述上述用四个开关元件控制三相电动机的传统三相电动机控制器的操作。

当AC电压输入三相电动机控制器中时，经整流装置(未示出)整流，产生DC电压。该DC电压提供给彼此并联连接的上下DC链接电容器3和4。

结果上下DC链接电容器3和4以交替方式执行充电和放电操作。根据组成B4变换器2的开关元件的各自状态变化控制交替的充电和放电操作。

B4变换器2有四个开关状态，如图3A-3D所示。下面结合Y-连接的三相电动机的情况进行描述。在下面的描述中，“1”表示B4变换器2中上方开关元件的ON状态，“0”表示下方开关元件的ON状态。在仅分别对应于B4变换器的四个电压矢量的上方开关元件被接通的情况下，即处于状态<1,1>，为三相电动机1提供在上方DC链接电容器3中充电的电压V1。在这种状态下，不从下方DC链接电容器4向三相电动机1提供电压。

另一方面，当只有下方开关元件被接通时，即处于状态<0,0>，为三相电动机1提供在下方DC链接电容器4中充电的电压V2。在这种状态下，不从上方DC链接电容器3向三相电动机1提供电压。

在状态<0,1>和<1,0>下，上下DC链接电容器3和4分别向三相电动机1提供电压V1和V2。

为了允许三相电动机1旋转，需要产生三相电压，每相电压彼此的相位差为120°，如图2所示的Va、Vb和Vc。

为了产生这些三相电压，分别对应于加到三相电动机1上的三相电压矢量的B4变换器2中三个节点中的一个节点连接上下DC链接电容器3和4之间的连接节点，剩下的两个节点连接上方开关元件和相关的下方开关元件之间的各自的引线。

而且，当向电压Va、Vb和Vc施加电压-Vc时，为了产生与平衡的三相电压有相同效果的电压，所有的三相电压矢量都没有方向，最后只产生“Vu”和“Vw”，如图2所示。

电压矢量Vu和Vw用于与零相位一起产生平衡的三相电压。即，能用四个开关获得三相平衡电压。

B4变换器2产生的两个电压矢量Vu和Vw之间有60°的相位差，如图2所示。如上所述，在三相电动机的c-相连接到上下DC链接电容器3和4之间的连接节点的情况下，电压矢量Vu的相位从a-相电压Va延迟30°。

所以，在用脉宽调制(PWM)的脉冲控制B4变换器2的情况下，能用下列等式1所表达的B4变换器2的开关逻辑控制三相电动机1。

i_re1=i_c1+i_dc1,i_c2+i_dc2 $V_w=V_{b\_\mathrm{dc}}=\&lsqb;\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\&CenterDot;\mathrm{ma}\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\&rsqb;\&CenterDot;T_{\mathrm{samp}}----\left(1\right)$

其中，“θ”表示转子位置，“ma”表示调制率，“Tsamp”表示开关采样时间。

上述等式1与三相电动机的c-相连接到上下DC链接电容器之间的连接节点的情况有关。参考等式1，发现电压Vw和Vu之间的相位差为60°，电压Vu从电压Va开始相位延迟30°。

根据以上的传统方法，根据组成B4变换器的开关元件的开关状态，提供给电动机的电压有两种状态，一种状态是在仅使用上方或下方DC链接电容器的基础上提供电压，一种状态是在使用上下DC链接电容器的基础上提供电压。为此，在上下DC链接电容器之间有电压差，从而不能向三相电动机提供平衡的三相电压。结果，产生转矩脉动。由于这种转矩脉动，不能实现可靠的速度控制。

本发明旨在解决上述现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备和方法，它能根据分别适于为变换器提供电压的上下DC链接电容器之间的电压差，调节由包括开关元件的变换器提供给三相电动机的相位电压的相应开关时间，从而减小三相电动机中产生的转矩脉动。

本发明的另一个目的是提供一种用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备和方法，其中，根据提供给包括开关元件并用流过三相电动机的电流检测到的上下DC链接电容器之间的电压差，减小三相电动机中产生的转矩脉动。

根据一个方案，本发明提供一种用于减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备，包括：整流器元件，用于将输入的AC电压整流成DC电压；上和下DC链接电容器，与整流元件并联连接，每个DC链接电容器用于对DC电压执行充电和放电操作；变换器，与电容器并联连接，适于根据与开关信号一起分别从电容器放电的电压产生适于使三相电动机旋转的三相电压；电压命令发生器，根据电容器之间的电压差、电动机的实际转速和命令速度之差以及电动机的转子位置计算包括在变换器中的A和B相的开关元件的相应开关操作的补偿分量，并提供包括计算出的补偿分量的相应开关时间，从而控制电动机的转速。

根据另一个方案，本发明提供一种减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿方法，包括以下步骤：(a)根据驱动三相电动机的电压命令，计算分别与变换器中A和B-相引线相关联的四个开关元件中上方元件的相应开关时间(Ta和Tb)；(b)将计算出的开关时间(Ta和Tb)相互比较；(c)从Ta和Tb计算处于A和B-相引线开关状态中下方开关的工作时间t1和从Ta和Tb计算处于A和B-相引线开关状态中上方开关的工作时间t2,(d)在计算完开关时间(t1和t3)之后，检测输入到分别与变换器的A和B-相引线相连接的上和下DC链接电容器之间的连接节点的电流，将检测到的电流积分，从而导出上方DC链接电容器两端电压和下方DC链接电容器两端电压之间的差，(e)根据导出的电压差，计算开关时间(Ta和Tb)的相应补偿分量(ΔTa和ΔTb)，以及(f)产生分别反映计算出的补偿分量的新的开关时间(Ta′和Tb′)，将新的开关时间提供给变换器。

下面结合附图详细说明本发明的以上目的、其他特征和优点，附图中：

图1是使用四个开关元件的传统三相电动机控制器的方框图；

图2示出了彼此相位差120°的三相电压矢量图，和之间相位差为60°的2-相电压矢量；

图3A-3D分别是根据不同开关状态Y-连接的三相电动机和DC链接之间建立的不同连接的电路图；

图4示出了用直角坐标系统在图3a-3d中具有不同开关状态S1和S2的各个情况下产生的四个电压矢量图；

图5是表示图4中所描述的四个电压的实数分量Re和虚数分量Im；

图6是电压V2高于电压V1时产生的电压矢量图；

图7是因为电压V2高于电压V1而使电压矢量U2和U1畸变的情况下实际施加的电压的畸变图；

图8A和8B分别示出了位于A-相引线的开关时间多于B-相引线的开关时间的区Ⅰ内的命令电压矢量图和产生命令电压矢量的PWM脉冲波形图；

图9A和9B分别示出了位于B-相引线的开关时间多于A-相引线的开关时间的区Ⅲ内的命令电压矢量图和产生命令电压矢量的PWM脉冲波形图；

图10是包括上和下DC链接电容器的变换器的等效电路图；

图11是在三相电动机的C-相连接到上和下DC链接电容器之间的连接节点的条件下根据不同的开关状态输入到上和下DC链接电容器之间的连接节点的电流变化表；

图12A和12B分别是涉及用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备的本发明实施例的电路图；

图13是用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿方法的流程图；

图14A是在未对电压畸变作出补偿的情况下使三相电动机旋转的速度命令和在速度命令的基础上三相AC电动机的实际速度的波形图；

图14B是在图14A的情况下产生的三相电流的波形图；

图15A是对电压畸变作出补偿的情况下使三相电动机旋转的速度命令和在速度命令的基础上三相AC电动机的实际速度的波形图；

图15B是在图15A的情况下产生的三相电流的波形图；

图15C是伴随上方DC链接电容器两端电压和下方DC链接电容器两端电压的DC链接电压的波形图；以及

图16是由二极管和电容器组成的电流检测器的电路图，根据本发明的另一个实施例，它代替电流检测器和积分器的组合来使用。

参考图12A和12B，分别示出了与用四个开关元件减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备有关的本发明实施例。在图12A和12B中，与图1中部件相对应的元件用相同的标号表示。

根据图12A和12B所示的本发明实施例，相位畸变补偿设备包括整流器元件12，用桥式二极管将输入的AC电压整流成DC电压；上和下DC链接电容器3和4，每个DC链接电容器适于对DC电压执行充电和放电操作；变换器2，分别接收从电容器3和4放电的电压，从而利用四个开关元件产生提供给三相电动机1的三相电压。设备还包括速度检测器7，用于检测三相电动机1的转速Wr；位置检测器9，用于根据检测到的转速Wr检测三相电动机1的转子位置θ；减法器11，用于从命令速度Wr^*导出被检测的转速Wr的误差；速度控制器10，用于根据导出的速度误差，确定加到三相电动机上的电压电平；电压命令发生器8，根据电容器3和4之间的电压差和速度控制器10确定的电压电平计算包括在变换器2中的A和B相开关元件的相应开关操作的补偿分量，并提供包括计算出的补偿分量的相应开关时间，从而控制三相电动机的转速。

根据图12A所示的实施例，电容器3和4之间的电压差由包括电流检测器5和积分器6的结构确定，电流检测器5用于检测输入到与三相电动机1相连接的电容器3和4之间的连接节点的电流，积分器6用于对被测电流积分，从而导出电容器3和4之间的电压差。根据图12B所示的实施例，电容器3和4之间的电压差由电压检测器14确定，电压检测器14用于检测电容器3和4两端的相应电压，从而导出被测电压之间的差。

现在，详细描述具有上述结构的设备的操作和效果。

如图12A和12B所示，根据本发明使用的变换器2是包括四个开关元件以产生四个电压矢量的B4变换器2。

即，假设“S1”表示B4变换器中A-相引线的开关状态，“S2”表示B4变换器中B-相引线的开关状态，四个电压矢量由B4变换器产生，原因是每个开关状态S1和S2是从分别对应“0”和“1”的两个不同开关状态中选择的。这里，“0”表示B4变换器中上方开关元件的ON状态，“1”表示下方开关元件的ON状态。

因此，这种B4变换器只有四个有效矢量将提供给电动机。

图3A-3D分别示出了具有Y-连接的三相电动机之间建立的不同连接和根据不同开关状态的DC链接。在图3A-3D所示的情况下，三相电动机的C-相连接到上和下DC链接电容器3和4的连接节点。而且，“V1”表示上方DC链接电容器3两端的电压，“V2”表示下方DC链接电容器4两端的电压。

图3A示出了加到三相电动机各相上的电压，此时，开关状态S1和S2对应于<0,0>，即此时只有下方开关元件处于ON状态而上方开关元件处于OFF状态。

图3B示出了加到三相电动机各相上的电压，此时，开关状态S1和S2对应于<0,1>，即此时A-相引线的开关状态S1对应于相关的开关元件中仅下方元件被接通的状态，而B-相引线的开关状态S2对应于相关的开关元件中仅上方元件被接通的状态。

图3C示出了加到三相电动机各相上的电压，此时，开关状态S1和S2对应于<1,0>，即此时A-相引线的开关状态S1对应于相关的开关元件中仅上方元件被接通的状态，而B-相引线的开关状态S2对应于相关的开关元件中仅下方元件被接通的状态。

此外，图3D示出了加到三相电动机各相上的电压，此时，开关状态S1和S2对应于<1,1>，即此时只有下方开关元件处于OFF状态而上方开关元件处于ON状态。

在具有不同开关状态S1和S2的图3A-3D各种情况下产生的电压矢量可以用直角坐标系统来描述，如图4所示。直角坐标系统有分别表示电压矢量的实数分量Re和虚数分量Im的两个正交轴。

图5是表示图4中四个电压的实数分量Re和虚数分量Im。图5中“u”表示产生的电压，“t”表示开关时间。

现在，描述会出现在B4变换器中的电压畸变现象。

在提供给变换器2即B4变换器2的上方DC链接电容器3两端电压V1和下方DC链接电容器4两端电压V2是理想的时候，即那些电压相等(V1=V2)，由B4变换器产生的四个电压的相应电压矢量彼此正交，如图6的左面部分所示。但是，在电压V2高于电压V1的地方，电压u2(1,0)或u4(0,1)的实数分量Re(Re=1/2(V2-V1))有正值，从而导致电压矢量右偏。而且，电压u1(0,0)的绝对值高于电压u3(1,1)的绝对值。

结果，尽管为建立电压命令矢量计算的每个开关状态S1或S2的开关时间能产生正常的电压命令，由于图7的右侧部分上下DC链接电容器3和4之间的电压差，也会出现电压矢量畸变。

当然，如果在上方DC链接电容器3两端的电压和下方DC链接电容器4两端的电压之间没有差值时，即当V1=V2时，则产生在图7左侧部分中描述的正常电压命令V^*。

至此，需要对计算出的时间进行补偿，以便补偿由电压差引起的电压矢量畸变。

为了减小在例如V2＞V1的情况下由电压差引起的电压矢量畸变，需要减小为电压u1计算的开关时间t1同时增大电压u3计算的开关时间t3，原因是在V2＞V1的情况下产生的电压矢量右偏。在这种情况下，开关时间的变化对应于V1和V2之差(即“V2-V1”或“V1-V2”)。而且，需要考虑开关时间的变化。这是因为电压矢量畸变也分别与开关时间t1和t3成正比。

因此为了产生如图4所示的正交电压矢量，针对ON时间，以中央对准方式产生接通或端开变换器2的开关元件的PWM脉冲。

图8A示出了位于受电压u1、u2和u3影响的区Ⅰ中的命令电压矢量，其中A-相引线的上方开关元件的开关时间Ta大于B-相引线的上方开关元件的开关时间Tb(Ta＞Tb)。图8B示出了产生图8A的命令电压矢量的PWM脉冲的波形图。

在对应于图8的区Ⅰ的情况下当电压V2高于电压V1时，如果在没有任何补偿的情况下施加计算出的电压，则电压u1高于在V1=V2的理想情况下产生的相关理想电压。在这种情况下，电压u3小于相关理想电压。为了补偿由DC链接电压差引起的电压矢量畸变，需要减小电压u1的开关时间t1同时增大电压u3的开关时间t3。

假设“Tsamp”表示在图8B情况下的开关采样时间，开关时间t1对应于Tsamp-Ta(t1=Tsamp-Ta)，开关时间t3对应于Tb(t3=Tb)。因此对于由DC链接电压差产生的电压矢量畸变来说，在V2＞V1的情况下，能通过增大图8B中的开关时间Ta和Tb减小开关时间t1，增大开关时间t2。

同时，与V2＞V1的情况相反，在V1＞V2的情况下，为了实现理想的补偿，有必要增大开关时间t1同时减小开关时间t3。

如果在与图9的区Ⅱ相对应的情况下，当电压V2高于电压V1时在没有任何补偿的情况下施加计算出的电压，则电压u1高于相关的理想电压。在这种情况下，电压u3低于相关的理想电压。因此，为了补偿由DC链接电压差造成的电压矢量畸变，有必要减小开关时间t1同时增大开关时间t3。

假设“Tsamp”表示在图9B情况下的开关采样时间，开关时间t1对应于Tsamp-Ta(t1=Tsamp-Ta)，开关时间t3对应于Tb(t3=Tb)。因此对于由DC链接电压差产生的电压矢量畸变来说，在V2＞V1的情况下，能通过增大图8B中的开关时间Ta和Tb减小开关时间t1，增大开关时间t2。

同时，与V2＞V1的情况相反，在V1＞V2的情况下，为了实现理想的补偿，有必要增大开关时间t1同时减小开关时间t3。在这种情况下，开关时间Ta和Tb都被缩短。

显然，通过以上描述可见，对开关时间t1和t3的补偿与命令电压矢量位于哪个区无关。即，当电压V2高于电压V1时开关时间Ta和Tb都被增大，而当V2低于V1时都被缩短。

下面结合图12B的实施例描述本发明的上和下DC链接电容器3和4之间电压差的检测，其中在检测电流的基础上检测电压差。

图12B中的整流器元件12、上和下DC链接电容器3和4以及变换器2组成图10所示的等效电路。当在等效电路的连接结构中，C-相连接到连接节点，图11中示出了取决于变换器2的开关操作的电流流动。

图10的等效电路可以用下列等式2表达： $L_{\mathrm{leak}}=\frac{d\left|i_{\mathrm{rel}}\right|}{\mathrm{dt}}=\left|\mathrm{Vac}\right|-\mathrm{Vdc}-2\&CenterDot;V_D$

i_re1=i_c1+i_dc1,i_c2+i_dc2 $V2=\frac{1}{C2}\&Integral;i_{c2}\mathrm{dt}+R2\&CenterDot;i_{c2}----\left(2\right)$ $V1=\frac{1}{C1}\&Integral;i_{c1}\mathrm{dt}+R1\&CenterDot;i_{c1}$

V_dc=V1+V2

其中，L_leak表示漏电感分量，C1和C2表示上和下DC链接电容器3和4的各电容，R1和R2表示电容器3和4的各DC等效电阻。

图10电路中的上和下DC链接电容器3和4之间的电压差“V2-V1”可以用下面的等式3表示： $V2-V1=(\frac{1}{C2}\&Integral;i_{c2}\mathrm{dt}+R2\&CenterDot;i_{c2})-(\frac{1}{C1}\&Integral;i_{c1}\mathrm{dt}+R1\&CenterDot;i_{c1})----\left(3\right)$

其中上和下DC电容器3和4有相同的电容(C=C1=C2)，而在等式3中将电阻R1和R2导致的电压降忽略，可得到等式4： $V2-V1=\frac{1}{C1}\&Integral;(i_{c2}-i_{c1})\mathrm{dt}=\frac{1}{C1}\&Integral;(i_{\mathrm{dc}1}-i_{\mathrm{dc}2})\mathrm{dt}----\left(4\right)$

在等式4中，“i_dc1-i_dc2”表示输入到上和下DC链接电容器3和4之间的连接节点的电流量。参考图11，可以发现电流“i_dc1-i_dc2”总是对应于“-i_cs”，与变换器2的开关状态无关。

因此，上方DC链接电容器3两端的电压V1和下方DC链接电容器4两端的电压V2可以由下列等式5表示： $V2-V1=\frac{1}{C}\&Integral;(-i_{\mathrm{cs}})----\left(5\right)$

参考等式5，可以发现电压V1和V2的差对应于输入到上和下DC链接电容器3和4之间连接节点的电流整数值。如上所述，可以在不直接检测的情况下用电流检测器和积分器检测电压差。因此，可以直接或间接检测电压差。

同时，根据电压V1和V2之差即“V2-V1”或“V1-V2”确定补偿量。该补偿量与电压矢量u1的开关时间t1的畸变度和电压矢量u3的开关时间t3的畸变度成正比。

在图8A的区Ⅰ中的补偿量可以用等式6表示：

ΔTa=k*(V2-V1)*t1

ΔTb=k*(V2-V1)*t3             (6)

其中，k表示补偿常数。

参考等式6，发现各开关时间t1和t3的补偿量ΔTa和ΔTb在V2＞V1的情况下增加，在V1＞V2的情况下减少。

另一方面，图9A的区II中的补偿量可以用下列等式7表示：

ΔTa=k*(V2-V1)*t3

ΔTb=k*(V2-V1)*t1             (7)

其中，k表示补偿常数。

参考等式6和7，可以发现，开关时间Ta的变化取决于开关时间t1的变化，开关时间Tb的变化取决于开关时间t3的变化。

现在，结合图12B和13描述以上述方式补偿开关时间的程序。

在图12B的电路中，整流器元件12利用桥式二极管将输入的AC电压整流成DC电压，然后将DC电压施加到又由DC电压充电的上和下DC链接电容器3和4上。

当被充电的电压施加到变换器2的开关元件上时，那些开关元件执行开关操作，使三相AC电动机1旋转。

在三相AC电动机1旋转期间，速度检测器7检测电动机1的转速Wr，并将检测到的转速提供给减法器11和位置检测器9。

位置检测器9根据检测到的转速导出电动机1的转子位置θ，然后将检测到的转子位置θ提供给电压命令发生器8。

根据检测到的转子位置θ，电压命令发生器8导出变换器2中A和B-相引线的各上方开关的开关时间Ta和Tb如下(图13的步骤S100)：旅行 $\mathrm{Ta}=\&lsqb;\frac{1}{2}+\frac{1}{2}*\mathrm{ma}*\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6})\&rsqb;*\mathrm{Tsamp}$ $\mathrm{Tb}=\&lsqb;\frac{1}{2}+\frac{1}{2}*\mathrm{ma}*\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\&rsqb;*\mathrm{Tsamp}$

其中，“ma”表示调制率，“Tsamp”表示采样时间。

此后，将导出的A-相引线的开关时间Ta与导出的B-相引线的开关时间Tb相比较(图13的步骤S110)。

在确定A-相引线的开关时间Ta大于B-相引线的开关时间Tb的地方，用“t1=Tsamp-Ta”和“t3=Tb”导出电压矢量u1(0,0)的开关时间t1和电压矢量u3(1,1)的开关时间t3(图13的步骤S120)。另一方面，在B-相引线的开关时间Tb大于A-相引线的开关时间Ta的地方，用“t1=Tsamp-Tb”和“t3=Tb”导出电压矢量u1(0,0)的开关时间t1和电压矢量u3(1,1)的开关时间t3(图13的步骤S130)。

根据导出的开关时间Ta和Tb，电压命令发生器8产生速度命令Wr^*来控制三相AC电动机1的速度。该速度命令Wr^*施加到减法器11上，减法器11又从速度命令Wr^*中减去速度检测器7检测的三相AC电动机1的速度，于是从与速度命令Wr^*导出检测到的转速Wr的误差。该导出的速度误差提供给速度控制器10。

根据速度误差，速度控制器10产生加到三相电动机上的电压电平的命令，然后将该命令加到电压命令发生器8上。

此时，电流检测器5检测从上和下DC链接电容器3和4之间连接节点流向三相电动机1的电流，并将检测到的电流发送到积分器6。积分器6将检测到的电流积分，于是计算相应的电压，电压又加到到电压命令发生器8上。

由电流积分得到的电压对应于下方DC链接电容器4两端的电压V2和上方DC链接电容器3两端的电压V1之差。

代替使用电流检测器和积分器，可以用直接检测上方DC链接电容器3两端的电压V1和下方DC链接电容器4两端的电压V2的电压检测器14导出连接节点处的电压差，如图12A所示。导出的电压差提供给电压命令发生器8。

此后，电压命令发生器8根据速度控制器10导出的命令电压、位置检测器9检测的转子位置θ和电压检测器14或电流检测器5和积分器6检测的电压差计算开关时间的补偿分量Δta和ΔTb(图13的步骤S140和S150)。

导出的补偿分量Δta和ΔTb加到在步骤S100上计算的A和B相引线的开关时间Ta和Tb上，于是导出分别反映那些补偿分量Δta和ΔTb的新的开关时间Ta’和Tb，如下(图13的步骤S160)：

Ta’=Ta+Δta

Tb’=Tb+ΔTb

开关时间Ta’和Tb’作为选通信号加到变换器2上。根据该选通信号，变换器2的每个开关元件根据施加的其中一个相关开关时间接通或断开，于是将三相电压施加到三相AC电动机1上。这样，使三相AC电动机1旋转。

图14A示出了在没有进行开关时间补偿的地方使三相AC电动机1旋转的速度命令，三相AC电动机1的实际速度以该命令为基础。图14B示出了图14A情况下产生的三相电流。

参考图14A，可以发现，在与50rpm的速度命令相关时存在相当大的速度脉动。参考图14B，可以发现B相电流ibs小于A-相电流ias和C-相电流ics，尽管实际上平衡的三相电压导致的平衡的三相电流的相位差为120°。也可以发现，B和C相基本彼此类似。

这是因为B4变换器的施加电压矢量由于上方DC链接电容器两端的电压和下方DC链接电容器两端的电压之间的电压差而由命令电压发生相当大的畸变，使得不可能施加平衡的三相电压。由于这种电压畸变，由电动机产生的转矩脉动。结果，在电动机中出现速度脉动。

但是，根据本发明，在与图14A相同的情况下对开关时间作出补偿，实现了速度脉动的减小。这可以通过图15A所示将速度命令和实际命令相互比较看出。参考图15B，能发现DC链接电压vdc分配给上和下DC链接电容器，以便分别用电压V1和V2为那些电容器充电和从电容器对充电电压V1和V2放电。

当本发明应用于永磁同步电动机(PMSM)时，在上和下DC链接电容器之间的连接节点处的电压差可以仅利用电流检测方法导出，而不使用上述电流检测器和积分器的方法。

在这种PMSM的情况下，通过允许感应电压和相电流彼此相符合控制其电动机速度。因此，如果电动机的转子位置已知，且假定输入到上和下DC链接电容器之间的连接节点的电流有C-相，则C-相电流ics可以表达如下： $V2-V1=-\frac{1}{C}\&Integral;i_{\mathrm{cs}}\mathrm{dt}$    $i_{\mathrm{cs}}=I\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})$ $-\frac{1}{C}\&Integral;i_{\mathrm{cs}}\mathrm{dt}=-\frac{1}{C}\&Integral;I\&CenterDot;\sin (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})\mathrm{dt}=\frac{1}{C\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}}I\&CenterDot;\cos (\mathrm{\&omega;t}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3})$

因此，如图16所示。代替使用图12B所示的电流检测器5和积分器6，能通过用二极管和电容器组成的电流检测器5’检测输入到连接节点的电流导出上和下DC链接电容器之间的连接节点处的电压差，并对检测到的电流和以前检测的电动机的速度和转子位置进行三角函数运算。

从以上描述可见，根据本发明，根据上和下DC链接电容器之间的电压差调节将提供给三相电动机的相电压的各开关时间，减小三相电动机中产生的转矩脉动，从而实现可靠的速度控制。

尽管本文已对本发明的最佳实施例进行了详细描述，但本领域的技术人员可以在不背离本发明精神的条件下进行修改和变型，本发明的范围由权利要求书限定。

Claims (11)

1．一种减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿设备，包括：

整流器元件，用于将输入的AC电压整流成DC电压；

上和下DC链接电容器，与整流元件并联连接，每个DC链接电容器用于对DC电压执行充电和放电操作；

变换器，与电容器并联连接，适于根据与开关信号一起分别从电容器放电的电压产生适于使三相电动机旋转的三相电压；

电压命令发生器，根据电容器之间的电压差、电动机的实际转速和命令速度之差以及电动机的转子位置计算包括在变换器中的A和B相的开关元件的相应开关操作的补偿分量，并提供包括计算出的补偿分量的相应开关时间，从而控制电动机的转速。

2．根据权利要求1的相位畸变补偿设备，还包括：

速度检测器，与电动机连接，适于检测电动机的转速；

位置检测器，与速度检测器连接，适于根据检测到的转速检测电动机的转子位置；

减法器，与位置检测器和速度检测器连接，适于从命令速度导出检测到的转速的误差；

速度控制器，与减法器的输出连接，适于根据导出的速度误差确定将提供给电动机的电压电平；以及

电压检测器，适于导出上和下DC链接电容器之间的电压差。

3．根据权利要求2的相位畸变补偿设备，还包括，置换电压检测器：

电流检测器，检测输入到连接三相电动机的任意一相的上和下DC链接电容器之间连接节点的电流；以及

积分器，对检测到的电流进行积分，从而间接导出电容器之间的电压差。

4．根据权利要求3的相位畸变补偿设备，其中，电压命令发生器根据积分器导出的电压差、位置检测器检测的转子位置和速度控制器确定的电压电平计算A和B相的开关元件的各开关操作的补偿分量。

5．根据权利要求3的相位畸变补偿设备，还包括，置换电流检测器和积分器：

电流检测器包括二极管和电容器，用于检测输入到连接节点的电流。

6．一种减小三相电动机中转矩脉动的相位畸变补偿方法，包括以下步骤：

(a)根据驱动三相电动机的电压命令，计算分别与变换器中A和B-相引线相关联的四个开关元件中上方元件的相应开关时间(Ta和Tb)；

(b)将计算出的开关时间(Ta和Tb)相互比较；

(c)从Ta和Tb计算处于A和B-相引线开关状态中下方开关的工作时间t1和从Ta和Tb计算处于A和B-相引线开关状态中上方开关的工作时间t2，

(d)在计算完开关时间(t1和t3)之后，检测输入到分别与变换器的A和B-相引线相连接的上下DC链接电容器之间的连接节点的电流，将检测到的电流积分，从而导出上方DC链接电容器两端电压和下方DC链接电容器两端电压之间的差，

(e)根据导出的电压差，计算开关时间(Ta和Tb)的相应补偿分量(ΔTa和ΔTb)，以及

(f)产生分别反映计算出的补偿分量的新的开关时间(Ta′和Tb′)，将新的开关时间提供给变换器。

7．根据权利要求6的相位畸变补偿方法，其中，当下方DC链接电容器两端的电压(V2)大于上方DC链接电容器两端的电压(V1)时增大开关时间(Ta和Tb)，而当上方DC链接电容器两端的电压(V1)大于下方DC链接电容器两端的电压(V2)时缩短开关时间。

8．根据权利要求6的相位畸变补偿方法，其中，用下列等式在步骤(a)中计算开关时间(Ta和Tb)： $\mathrm{Ta}=\&lsqb;\frac{1}{2}+\frac{1}{2}*\mathrm{ma}*\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{6})\&rsqb;*\mathrm{Tsamp}$ $\mathrm{Tb}=\&lsqb;\frac{1}{2}+\frac{1}{2}*\mathrm{ma}*\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})\&rsqb;*\mathrm{Tsamp}$

其中，“ma”表示调制率，“Tsamp”表示采样时间。

9．根据权利要求6的相位畸变补偿方法，其中，用下列等式在步骤(c)中计算开时间(t1和t3)：

如果Ta≥Tb,t1=Tsamp-Ta          t3=Ta

如果Ta＜Tb,t1=Tsamp-Tb          t3=Ta

其中，“Tsamp”表示采样时间。

10．根据权利要求6的相位畸变补偿方法，其中，用下列等式在步骤(e)中计算开关时间(Ta和Tb)的补偿分量(ΔTa和ΔTb)：

如果Ta≥Tb,ΔTa=k*(V2-V1)*t1,ΔTb=k*(V2-V1)*t3

如果Ta＜Tb,ΔTa=k*(V2-V1)*t3,ΔTb=k*(V2-V1)*t1。

11．根据权利要求6的相位畸变补偿方法，其中，用下列等式在步骤(f)中计算新的开关时间(Ta’和Tb’)：

Ta’=Ta+ΔTa

Tb’=Tb+ΔTb。

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