CN102931902A - 死区补偿***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种死区补偿***，包括电流采样单元、自适应滤波器、正向变换单元、低通滤波器、反向变换单元及死区补偿单元，其中：所述自适应滤波器，用于对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值；所述正向变换单元，用于将所述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换；所述低通滤波器，用于进行低通滤波；所述反向变换单元，用于进行旋转反变换以及2/3变换；所述死区补偿单元，用于根据2/3变换后的电流进行死区补偿。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过自适应滤波器对采样的三相电流进行滤波，从而克服电流检测延迟带来的检测值与真实值的误差，避免了死区补偿因为电流检测值的不准确而失败。

Description

死区补偿***及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种三相电压脉宽调制变频器或三相PWM整流器功率器件的死区补偿***及方法。

背景技术

电压脉宽调制类型的变频器广泛应用于各种电机控制场合，为了防止逆变器同一桥臂上下两个功率器件直通毁坏逆变器，需要人为地在控制信号中加入死区时间，在死区时间内两个功率器件均截止。此外，在逆变器工作时，开关时间存在延迟，并且关断时间通常延迟更长，这些都导致了实际得到的电压值与理论值之间存在差异，这些效应通常也称为死区。

死区的存在将对电压、电流和转矩等各方面都产生影响，在低频时这种现象尤其明显，因为相同载波下，低频时一个周期内开关次数更多，并且低频时输出电压较低，死区效果比重越大。最直接的，它降低了***的输出电压能力，乃至出现相移。

为了克服死区的影响，需要补偿死区造成的电压损失，相对于相电流大于零和小于零的情况，需要对相应相电压做不同的补偿。如何确定相电流的过零点是一个难点，也是多种算法的分析所在，它决定了死区补偿的成败。

目前死区补偿的方案主要是将电流转换为D-Q坐标系下的直流量，再低通滤波，以便克服检测电流的噪声影响。在上述方案中需要进行旋转变换，而旋转变换需要一个角度θ，目前大部分方案都集中在如何根据检测到的电流准确得到电流θ的计算，以及D-Q坐标系的滤波方式，而未对电流预测有所提及。事实上电流检测采样延迟和计算延迟会有至少一个载波周期，在载波比较低的时候其影响更大，如何克服延迟，准确预测下一个载波的电流，也将决定死区补偿的成败。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述死区补偿准确率不高的问题，提供一种基于电流预测的死区补偿***及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种死区补偿***，包括电流采样单元、自适应滤波器、正向变换单元、低通滤波器、反向变换单元及死区补偿单元，其中：所述电流采样单元，用于采样三相电流；自适应滤波器，用于对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值；所述正向变换单元，用于将所述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波器，用于对所述D轴和Q轴电流分量进行低通滤波；所述反向变换单元，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换以及2/3变换；所述死区补偿单元，用于根据2/3变换后的电流进行死区补偿。

在本发明所述的死区补偿***中，所述自适应滤波器通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流i＝Isin(ωt+θ)=Icosθsin(ωt)+Isinθcos(ωt)进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

$i_a^{*}\left[(k+1)T\right]=w_1\left[(k+1)T\right]\sin \left[\mathrm{\ω}(k+1)T\right]+w_2\left[(k+1)T\right]\cos \left[\mathrm{\ω}(k+1)T\right],$

其中I为电流幅值，ω为电流角频率，θ为电流初始相位，t为当前采样时刻，k为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的w₁[(k+1)T]、w₂[(k+1)T]通过以下计算式获得：

w₁[(k+1)T]=w₁(kT)+u[(k+1)T]x₁e[kt]，

w₂[(k+1)T]=w₂(kT)+u[(k+1)T]x₂e[kt],

其中W=[w₁(kT),w₂(kT)]，X=[x₁,x₂]=[sin(ωkT),cos(ωkT)]，u[(k+1)T]为步长因子且u[(k+1)T]=u(0)+a×e²(kT)，e(kT)为当前采样时刻的预测误差，a为常数，u(0)为步长因子初始值。

在本发明所述的死区补偿***中，正向变换单元在旋转变换时使用的旋转角与反向变换单元在旋转反变换中使用的旋转角相同。

在本发明所述的死区补偿***中，所述旋转角通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

本发明还提供一种死区补偿方法，包括以下步骤：

（a）通过变步长自适应滤波器对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值；

（b）将所述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；

（c）对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波、旋转反变换以及2/3变换，并根据2/3变换后的电流进行死区补偿。

在本发明所述的死区补偿方法中，所述步骤（a）中，所述变步长自适应滤波器通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流i＝Isin(ωt+θ)=Icosθsin(ωt)+Isinθcos(ωt)进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

$i_a^{*}\left[(k+1)T\right]=w_1\left[(k+1)T\right]\sin \left[\mathrm{\ω}(k+1)T\right]+w_2\left[(k+1)T\right]\cos \left[\mathrm{\ω}(k+1)T\right],$

其中I为电流幅值，ω为电流角频率，θ为电流初始相位，t为当前采样时刻，k为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的w₁[(k+1)T]、w₂[(k+1)T]通过以下计算式获得：

w₁[(k+1)T]=w₁(kT)+u[(k+1)T]x₁e[kt]，

w₂[(k+1)T]=w₂(kT)+u[(k+1)T]x₂e[kt],

其中W=[w₁(kT),w₂(kT)]，X=[x₁,x₂]=[sin(ωkT),cos(ωkT)]，u[(k+1)T]为步长因子且u[(k+1)T]=u(0)+a×e²(kT)，e(kT)为当前采样时刻的预测误差，a为常数，u(0)为步长因子初始值。

在本发明所述的死区补偿方法中，所述步骤（b）中旋转变换及步骤（c）中的旋转反变换的旋转角相同。

在本发明所述的死区补偿方法中，所述旋转角通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

本发明的死区补偿***及方法，通过自适应滤波器对采样的三相电流进行滤波获得电流预测值，从而克服电流检测延迟带来的检测值与真实值的误差，避免了死区补偿因为电流检测值的不准确而失败。

附图说明

图1是本发明死区补偿***实施例的示意图。

图2是旋转变换的两个坐标系的矢量关系图。

图3是本发明死区补偿方法实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明死区补偿***实施例的示意图。在本实施例中，死区补偿***包括电流采样单元、自适应滤波器11、正向变换单元、低通滤波器14、反向变换单元及死区补偿单元17。上述各单元可集成到变频器，也可独立于变频器而由专用硬件设备及软件实现。

电流采样单元用于采样三相电流i_a,i_b,i_c，其采样周期为T。例如该电流采样单元采样获得的A相电流为：i_a=Isin(ωt+θ)=Icosθsin(ωt)+Isinθcos(ωt)，其中I为电流幅值，ω为电流角频率，θ为电流初始相位，t为当前采样时刻。

自适应滤波器11用于对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值。采样获得的三相电流i_a,i_b,i_c经过自适应滤波后，可以克服电流检测延迟带来的检测值与真实值的误差，避免死区补偿因为电流检测值的不准确而失败。

正向变换单元具体包括3/2变换单元12和旋转变换单元13，其中3/2变换单元12用于将三相电流预测值进行3/2变换，获得垂直坐标系下的电流i_α、i_β。旋转变换单元13使用旋转角γ对上述垂直坐标系下的电流i_α、i_β进行旋转变换获得D轴和Q轴电流分量i_d、i_q。上述旋转变换前后两个坐标系的矢量关系如图2所示。

两个低通滤波器14分别用于对D轴和Q轴电流分量i_d、i_q进行低通滤波获得电流分量

反向变换单元具体包括旋转反变换单元15和2/3变换单元16，其中旋转反变换单元15将低通滤波获得电流分量

使用旋转角反向旋转获得电流分量

变换单元16对电流分量

进行2/3变换，获得三相补偿电流

死区补偿单元17用于根据2/3变换后的三相补偿电流

进行死区补偿。

上述自适应滤波器11采用自适应预测算法对采样的电流进行自适应滤波以获得在下一采样时刻的预测电流。该自适应预测算法中，定义两个队列X=[x₁,x₂，...,x_n]^T，W=[w₁(kT),w₂(kT)，...w_n(kT)]^T（W为X的加权系数），并使用该两个队列X、W的积来表示电流，即

则第k个采样时刻的预测误差为e(kT)=Y_b(kT)-Y(kT)，其中Y_b(kT)为反馈的电流实际值。本发明中的自适应滤波器即根据e_a(kT)和w_i(kT)的大小，以变化的步长来调整系数w_i[(k+1)T]的大小，得到下一个采样周期(k+1)T时刻的输出预测值，使得|e[(k+1)T]｜<｜e[kt]｜。其中：

w_i[(k+1)T]=w_i(kT)+u[(k+1)T]x_ie[kt]      （1）

$u\left[(k+1)T\right]=u\left(0\right)+a\&times;e_a^2\left(\mathrm{kT}\right)$

u[(k+1)T]称为步长因子，其大小与自适应滤波器11的收敛速度以及稳态误差有关，a为一常数，a的选取条件是使自适应滤波器11收敛。当误差变大时，步长将变大，由（1）式可知，输出为系数与输入的乘积，其值也会变大，这又会使误差变小，形成一个负反馈，可达到稳定。

在对采样电流具体处理时，自适应滤波器11通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流i＝Isin(ωt+θ)＝Icosθsin(ωt)+Isinθcos(ωt)进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

$i_a^{*}\left[(k+1)T\right]=w_1\left[(k+1)T\right]\sin \left[\mathrm{\&omega;}(k+1)T\right]+w_2\left[(k+1)T\right]\cos \left[\mathrm{\&omega;}(k+1)T\right],$

其中I为电流幅值，ω为电流角频率，θ为电流初始相位，t为当前采样时刻，k为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的w₁[(k+1)T]、w₂[(k+1)T]通过以下计算式获得：

w₁[(k+1)T]=w₁(kT)+u[(k+1)T]x₁e[kt]，

w₂[(k+1)T]=w₂(kT)+u[(k+1)T]x₂e[kt],

其中W=[w₁(kT),w₂(kT)]，X=[x₁,x₂]=[sin(ωkT),cos(ωkT)]，u[(k+1)T]为步长因子且u[(k+1)T]=u(0)+a×e²(kT)，e(kT)为当前采样时刻的预测误差，a为常数，u(0)为步长因子初始值。

在上述的死区补偿***中，旋转变换单元13在旋转变换时使用的旋转角与旋转反变换单元15在旋转反变换中使用的旋转角相同。具体地，该旋转角可通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

如图3所示，本发明还提供一种死区补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤S31：采样三相电流，并通过变步长自适应滤波器对采样的三相电流中的每一相电流进行电流预测以获得三相电流预测值。

特别地，在该步骤中，变步长自适应滤波器通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流i＝Isin(ωt+θ)＝Icosθsin(ωt)+Isinθcos(ωt)进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

$i_a^{*}\left[(k+1)T\right]=w_1\left[(k+1)T\right]\sin \left[\mathrm{\&omega;}(k+1)T\right]+w_2\left[(k+1)T\right]\cos \left[\mathrm{\&omega;}(k+1)T\right],$

其中I为电流幅值，ω为电流角频率，θ为电流初始相位，t为当前采样时刻，k为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的w₁[(k+1)T]、w₂[(k+1)T]通过以下计算式获得：

w₁[(k+1)T]=w₁(kT)+u[(k+1)T]x₁e[kt]，

w₂[(k+1)T]=w₂(kT)+u[(k+1)T]x₂e[kt],

其中W=[w₁(kT),w₂(kT)]，X=[x₁,x₂]=[sin(ωkT),cos(ωkT)]，u[(k+1)T]为步长因子且u[(k+1)T]=u(0)+a×e²(kT)，e(kT)为当前采样时刻的预测误差，a为常数，u(0)为步长因子初始值。

步骤S32：将上述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量。在具体实现时，旋转变换中使用的旋转角可通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

步骤S33：对D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波。

步骤S34：对低通滤波的电流进行旋转反变换以及2/3变换。该步骤中，在旋转反变换中使用的旋转角与步骤S32中进行旋转变换使用的旋转角相同。

步骤S35：根据2/3变换后的电流进行死区补偿。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种死区补偿***，其特征在于：包括电流采样单元、自适应滤波器、正向变换单元、低通滤波器、反向变换单元及死区补偿单元，其中：所述电流采样单元，用于采样三相电流；自适应滤波器，用于对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值；所述正向变换单元，用于将所述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；所述低通滤波器，用于对所述D轴和Q轴电流分量进行低通滤波；所述反向变换单元，用于对低通滤波后的D轴和Q轴电流分量进行旋转反变换以及2/3变换；所述死区补偿单元，用于根据2/3变换后的电流进行死区补偿。 

2.根据权利要求1所述的死区补偿***，其特征在于：所述自适应滤波器通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流                                               

进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

：

，

其中

为电流幅值，

为电流角频率，

为电流初始相位，t为当前采样时刻，

为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的

、

通过以下计算式获得：

，

, 

其中，

，

为步长因子且

，

为当前采样时刻的预测误差，为常数，为步长因子初始值。

3.根据权利要求1或2所述的死区补偿***，其特征在于：正向变换单元在旋转变换时使用的旋转角与反向变换单元在旋转反变换中使用的旋转角相同。

4.根据权利要求3所述的死区补偿***，其特征在于：所述旋转角通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

5.一种死区补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）通过变步长自适应滤波器对采样的三相电流中的每一相电流进行自适应滤波以获得三相电流预测值；

（b）将所述三相电流预测值进行3/2变换及旋转变换获得D轴和Q轴电流分量；

（c）对所述D轴和Q轴电流分量分别进行低通滤波、旋转反变换以及2/3变换，并根据2/3变换后的电流进行死区补偿。 

6.根据权利要求5所述的死区补偿方法，其特征在于：所述步骤（a）中，所述变步长自适应滤波器通过以下计算式对采样的三相电流中的每一相电流

进行自适应滤波获得下一采样时刻的电流预测值

：

，

其中

为电流幅值，为电流角频率，

为电流初始相位，t为当前采样时刻，

为当前采样的次数，T为采样间隔时间，上式中的

、

通过以下计算式获得：

，

, 

其中

，，

为步长因子且

，

为当前采样时刻的预测误差，

为常数，

为步长因子初始值。

7.根据权利要求5或6所述的死区补偿方法，其特征在于：所述步骤（b）中旋转变换及步骤（c）中的旋转反变换的旋转角相同。

8.根据权利要求7所述的死区补偿方法，其特征在于：所述旋转角通过坐标变换计算获得或通过角频率乘以时间获得。

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