CN1341989A - 变频器的死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变频器的死区补偿方法,其特征在于,采用同步放置坐标系下电流前馈与电流反馈相结合的复合补偿方法,通过电流空间适量分析,进行有效补偿,有效解决传统前馈补偿存在的不稳定性,减小变频器实际输出电流畸变。减小了输出电流波形畸变,提高了变频器的驱动特性,该算法简单实用,具有较高的可靠性及稳定性。

Description

变频器的死区补偿方法

本发明涉及变频器的死区补偿方法，尤其涉及能有效解决传统前馈补偿所存在不稳定性问题的复合补偿方法。

现有的典型的通用变频器系统结构，如图1所示，该系统采用基于电压空间适量调制的VVVF控制方式，其基本原理描述如下：三相交流经过整流桥整流及母线电容滤波，为由IGBT Q1-Q6组成的逆变桥提供直流电源。DSP或MCU控制器通过检测两相电流。综合设定频率进行脉宽调制，产生三相六管的PWM驱动信号，控制各相上下桥臂轮流调节逆变器输出电压，进而调节电机实际输入电压，从而达到变压变频调速的目的。

由图1可以看出，各相桥臂上下两管交替导通，由于电力电子器件的开关需要时间，若不采取措施，很有可能出现某一臂一侧管尚未完全关断，而另一侧管又已开通，形成所谓“直通”现象。因此，在实际应用中，为防止上下两管同时导通，在两者开通与关断信号之间引入“死区时间”，在该时间内两管均处于可靠关断状态。

但是，“死区时间”的引入，使得变频器实际输出电压与指令电压间产生误差，形成所谓的“死区效应”，如图2所示：图2a为死区生成简化模型、图2b为死区时间对实际输出脉宽影响、图2c死区效应对输出平均电压影响，该效应在电机低频运行时尤为明显，导致电机电流畸变，严重影响变频器的驱动特性。如何对“死区效应”进行有效补偿，已成为高性能驱动系统中必须解决的关键课题。从目前的发展技术来看，死区补偿的方法主要分为如下两大类：

1、基于电压反馈的补偿方法，该方法通过比较变频器实际输出电压与设定电压的误差，调节PWM脉宽，达到补偿目的。该方法直接，但对电压采样及隔离遥较高要求，设计时须对系统的搞干扰性、强弱电隔离等进行仔细设计，硬件相对复杂，因此该种补偿方案在目前并不多见。

2、基于电流前馈的补偿方法。该方法通过检测变频器输出电流的极性，调节PWM脉宽，达到补偿目的，由于当今的驱动控制系统，如何服驱动等到控制系统中，电流检测已成为必需的重要环节，因此在不增加硬件成本的前提下，基于电流前馈的死区补偿方法在驱动系统设计中获得了大量的应用。从原理上讲，只要能正确检测三相电流极性，采用电流前馈方式是能够对“死区效应”进行完全补偿的，图3示出了常规电流前馈补偿算法结构。

图中SIGN为符号函数，并满足如下条件：

                    SIGN(X)

Vdead为“死区效应”引入的误差电压，其大小满足： $\mathrm{Vdead}=\frac{\mathrm{Td}}{\mathrm{Tpwm}}\mathrm{Udc}.......\left(2\right)$

(2)式中Td为死区时间，Tpwm为PWM波周期，Udc为母线电压。

由图3不难看出，常规前馈补偿方法采用直接检测各相电流极性的方法进行补偿，其实现十分简单，但在具体实现时却存在一个至关重要的问题，即变频器输出电流极性的准确检测。而十分不幸的是，在PWM驱动系统中，由于实际输出电流中具有一定的纹波及PWM噪声，加之电流滤波引入的滞后等因素的影响，电流过零附近的电流极性准确检测十分困难。错误的极性判断，不仅未补偿误差电压，反而使得误差电压扩大化，从而导致电流波形的进一步恶化，并在过零附近形成所谓的“钳位电流”(Clamping Current)，使得补偿往错误的方向进一步进行，反而使驱动系统的性能恶化。因此，常规的前馈电流补偿方法在实际应用中具有较大的局限性。

本发明的目的在于提供一种变频器的死区补偿方法，解决因死区时间引起的输出误差电压进行实时补偿，从而显著减小输出电流波形畸变，提高变频器的驱动特性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种变频器的死区补偿方法，其特征在于，采用同步放置坐标系下电流前馈与电流反馈相结合的复合补偿方法，通过电流空间适量分析，进行有效补偿，有效解决传统前馈补偿存在的不稳定性，减小变频器实际输出电流畸变。

按照本发明提供的变频器的死区补偿方法，其特征在于，在VVVF系统中采用空间矢量电压调制方法，稳态运行时，电压空间矢量以同步速旋转，其旋转方向决定了驱动电机的实际运转方向；相应地，三相合成电流空间矢量亦将以相同方向和相同速度旋转，但在相位上落后电压空间矢量。

按照本发明提供的变频器的死区补偿方法，其特征在于，由于稳态运行时参考电压空间矢量始终以固定同步速成旋转，且相位完全可控，因此若知道功率因数角的大小，就完全可以通过电压空间矢量的位置推导出参考电流空间矢量的位置角，从而确定参考三相电流的电流极性。

按照本发明提供的变频器的死区补偿方法，其特征在于，功率因数角可以通过电压空间矢量定向的同步旋转坐标系中实际反馈电流矢量的相位角滤波后获得。

按照本发明提供的变频器的死区补偿方法，其特征在于，将计算得到的功率因数角经过惯性滤波，即可获得参考电流矢量位置角，从而获得三相参考电流极性，并以此参与前馈补偿。

按照本发明提供的变频器的死区补偿方法，其特征在于，通过功率因数角的检测，间接检测三相参考电流之极性，有效地降低了系统对电流检测精度及速度的要求。

实施本发明的变频器的死区补偿方法，其优点为：采用一种改进的软件算法对因死区时间引起的输出误差电压进行实时补偿，从而显著减小输出电流波形畸变，提高变频器的驱动特性，该算法简单实用，具有较高的可靠性及稳定性。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明，附图中：

图1为现有技术中通用变频器典型VVVF控制系统结构原理图；

图2为现有技术中“死区效应”示意图；

图3为现有技术中常规电流前馈补偿算法结构图；

图4为本发明技术方案中复合死区补偿算法结构框图；

图5为本发明的一相电压调制波及其与电流相位关系波形图；

图6为本发明的电压空间矢量与电流空间矢量相位关系图；

图7为本发明在不同运行条件下的实测补偿后电流波形图；

图8为本发明死区补偿算法的实现流程框图。

如图4所示，采用同步放置坐标系下电流前馈与电流反馈相结合的复合补偿方法，通过电流空间适量分析，进行有效补偿，有效解决传统前馈补偿存在的不稳定性，减小变频器实际输出电流畸变。

以下将以常规开环VVVF电压开型驱动系统为例，对其实现作一阐述。在VVVF系统中我们采用了空间矢量电压市制方法，稳态运行时，电压空间矢量以同不速旋转，其旋转方向决定了驱动电机的实际补偿方向；相应地，三相合成电流空间矢量亦将以相同方向和相同速度旋转，但在相位上落后电压空间矢量，图5示出了一相电压PWM波及相液压电流的相位关系。

由上图可以看出，参考电压超前于该相电流，其间相位差即功率因数角，由此可进一步推出，电流空间矢量同样落后于电压空间矢量，大小亦为功率因数和角，如图6所示。由于稳态运行时参考电压空间矢量始终以固定同步速成旋转，且相位完全可控，因此若知道功率因数角的大小，就完全可以通过电压空间矢量的位置推导出参考电流空间矢量的位置角，从而确定参考三相电流的电流极性。

由图6可以看到，功率因数角可以通过电压空间矢量定向的同步旋转坐标系中实际反馈电流矢量的相位角滤波后获得，在这一旋转同步速坐标系下，电流矢量D-Q分量可由下式进行方便计算： $\left[\begin{array}{c}\mathrm{Id}\\ \mathrm{Iq}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\sin & (2/3\·\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})& \sin \mathrm{\θ}\\ -\mathrm{Cos}& (2/3\·\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})& \mathrm{Cos\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\end{array}\right].....\left(3\right)$

由于系统采用DSP作为控制器，因此以上运算实现起来十分简单。将计算得到的功率因数角经过惯性滤波，即可获得参考电流矢量位置角，从而获得三相参考电流极性，并以此参与前馈补偿。由此亦可看出，该复合死区补偿方法实质上是通过功率因数角检测，间接检测三相参考电流之极性，这种基于同步坐标系下的复合补偿算法，有效地降低了系统对电流检测精度及速度的要求，大量的实验亦证明了这一点。

图7示出了不同运行条件下的实测补偿后电流波形，图7a载频为10K，f＝0.5Hz的电流波形；图7b载频为10K，f＝1.0Hz的电流波形；图7c载频为6K，f＝0.2Hz的电流波形；图7d载频为6K，f＝0.5Hz的电流波形；图7e载频为1K，f＝0.1Hz的电流波形；图7f载频为1K，f＝0.2Hz的电流波形。

由如图实验波形可以看到，电机低频运行电流保持了良好的正弦度，充分说明了该死区补偿算法的有效性。

图8给出了算法中极性检测的实现框图，各环节作用及信号流程关系如下：首先对电机U、V两相电流进行采样，并在此基础上根据静止坐标系到同步旋转坐标系下的坐标变换方法计算出同步坐标系下的两轴系电流Id、Iq；在计算出Id、Iq之后，对其进行低通滤波，根据滤波后Id、Iq值很容易计算出D-Q坐标系下合成电流矢量的幅值及其相位；对计算出的电流矢量相位角进行低通过滤波，可以采用常用的一阶惯性滤波，并以滤波后的相位角作为参考电流矢量的相位角；根据获得的参考电流矢量相位角，可以方便推出其具体处于第几扇区，并进一步确定三相电流极性组合；获得三相极性后，可以按照常规补偿的方法，根据各相电流极性，在参考电压的基础上加上或减去死区误差电压，作为新的参考电压输入指令。

基于同步坐标系下的复合补偿算法的核心的在于通过同步坐标系下反馈电流计算估算率因数角，从而进一步通过电压空间矢量角间接推出参考电流空间合成矢量位置角，并以此确定三相电流极性，对死区效应进行实时补偿。

Claims (5)

1、一种变频器的死区补偿方法，其特征在于，采用同步放置坐标系下电流前馈与电流反馈相结合的复合补偿方法，通过电流空间适量分析，进行有效补偿，有效解决传统前馈补偿存在的不稳定性，减小变频器实际输出电流畸变。

2、根据权利要求1所述变频器的死区补偿方法，其特征在于，在VVVF系统中采用空间矢量电压调制方法，稳态运行时，电压空间矢量以同步速旋转，其旋转方向决定了驱动电机的实际运转方向；相应地，三相合成电流空间矢量亦将以相同方向和相同速度旋转，但在相位上落后电压空间矢量。

3、根据权利要求1所述变频器的死区补偿方法，其特征在于，由于稳态运行时参考电压空间矢量始终以固定同步速成旋转，且相位完全可控，因此若知道功率因数角的大小，就完全可以通过电压空间矢量的位置推导出参考电流空间矢量的位置角，从而确定参考三相电流的电流极性。

4、根据权利要求1所述变频器的死区补偿方法，其特征在于，功率因数角可以通过电压空间矢量定向的同步旋转坐标系中实际反馈电流矢量的相位角滤波后获得。

5、根据权利要求4所述变频器的死区补偿方法，其特征在于，将计算得到的功率因数角经过惯性滤波，即可获得参考电流矢量位置角，从而获得三相参考电流极性，并以此参与前馈补偿，有效地降低了系统对电流检测精度及速度的要求。

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