CN103872960B - 基于软件死区补偿的矢量控制器 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于软件死区补偿的矢量控制器，包括数字信号处理器DSP、永磁同步电机PMSM、旋转变压器、转角位置解码器、IGBT驱动H桥，所述DSP包括空间电压矢量脉宽调制器SVPWM，所述IGBT驱动H桥与所述永磁同步电机PMSM连接，所述旋转变压器分别与所述转角位置解码器和所述永磁同步电机PMSM连接，所述DSP与所述转角位置解码器连接，所述软件死区补偿算法补偿所述空间电压矢量脉宽调制器SVPWM的开通关断时间，所述空间电压矢量脉宽调制器SVPWM产生的驱动信号控制所述IGBT驱动H桥的开通关断,实现对电机的驱动。本发明基于实时检测到的电机转子的转角位置，实现死区补偿功能，减小电机控制器输出电流的波形畸变，提高电机控制的稳定性与可靠性。

Description

基于软件死区补偿的矢量控制器

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤指基于软件死区补偿的矢量控制器。

背景技术

空间电压矢量脉宽调制器SVPWM采用的是一种新型的PWM控制方案，他具有直流电压利用率高、谐波损失少、转矩脉动低的特点，并且易于由数字信号处理器即DSP实现高精度的波形控制。因此，在高性能电机调速控制***中得到广泛应用。在IGBT驱动H桥电路对永磁同步电机PMSM进行驱动控制时，为了防止IGBT驱动H桥的同一桥臂的上下两个IGBT开关管直接导通造成短路，需要设置死区时间对IGBT进行必要的保护。同时，由于开关器件的非理想特性，导致输出电流波形产生畸变，造成永磁同步电机PMSM在低速轻载时容易出现转矩脉动，甚至引起电机振荡等不良后果。

因此，本发明致力于改进现有技术中矢量控制器的不足，研究了通过软件算法实现IGBT死区时间补偿的矢量控制器，通过实时采集电机转子的转角位置，计算IGBT的死区时间补偿量，实现IGBT死区时间补偿功能，减小电机控制器输出电流波形的畸变，提高电机控制的稳定性与可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供基于软件死区补偿的矢量控制器，通过位置传感器获得转子位置信息，进而得到电压空间矢量所在区域和电流流向，确定IGBT的死区时间补偿量，避免电流过零点检测的误差导致补偿方向的错误，避免引起电流过零点附近“电流箝位”现象。

本发明提供的技术方案如下：

基于软件死区补偿的矢量控制器，所述矢量控制器包括，数字信号处理器DSP、永磁同步电机PMSM、旋转变压器、转角位置解码器和IGBT驱动H桥，所述DSP包括软件死区时间补偿和空间电压矢量脉宽调制器SVPWM；其中，所述IGBT驱动H桥与所述永磁同步电机PMSM连接以对所述永磁同步电机PMSM进行驱动控制；所述旋转变压器与所述永磁同步电机PMSM连接以实时检测所述永磁同步电机PMSM转子的转角位置；所述转角位置解码器与所述旋转变压器连接以解码所述转角位置，解码后的转角位置为数字信号；所述DSP与所述转角位置解码器连接以接收所述解码后的转角位置；所述DSP的软件死区时间补偿算法基于所述解码后的转角位置确定所述IGBT驱动H桥的死区时间补偿量；所述空间电压矢量脉宽调制器SVPWM产生的驱动信号控制所述IGBT驱动H桥的开通关断,实现对电机的驱动。

进一步地，所述矢量控制器还包括隔离电路，处于所述SVPWM和所述IGBT驱动H桥之间并分别连接所述SVPWM和所述IGBT驱动H桥。

进一步地，所述矢量控制器还包括电源电路，分别为所述DSP和所述IGBT驱动H桥供电。

进一步地，所述DSP还包括CAN通信接口，用于与外部通信设备连接以实现基于CAN总线的数据通信。

进一步地，所述DSP为Texas Instruments德州仪器公司的TMS320F28232芯片。

进一步地，所述DSP包含软件死区补偿算法，用于所述IGBT驱动H桥开通关断的死区时间的补偿。

进一步地，所述软件死区补偿算法通过分析理想驱动信号与加入死区时间的实际驱动信号之间的差异，增加或减少驱动信号的开通关断时间，实现死区时间补偿，提高控制的稳定性。

进一步地，所述软件死区补偿算法通过位置传感器获得转子位置信息，进而得到电压空间矢量所在区域和电流流向，确定IGBT的死区时间补偿量，避免电流过零点检测的误差导致补偿方向的错误，避免引起电流过零点附近“电流箝位”现象。

进一步地，所述软件死区补偿算法根据位置传感器获取转子位置信息，并根据电机三相电流的实际方向将转子位置角度划分为六个分区，分别实现在六个分区内不同的死区时间补偿。

本发明的技术效果在于：

本发明基于软件死区补偿的矢量控制器，通过实时采集永磁同步电机PMSM转子位置的方式，通过软件的方式对IGBT驱动H桥上下桥臂设置的死区时间进行补偿，减小电机控制器输出电流波形的畸变，保障了电机的有效运行，提高了电机控制的稳定性与可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明矢量控制器的结构示意图；

图2为本发明矢量控制器的IGBT驱动H桥上下管理想的开关驱动信号和实际开关驱动信号的示意图；

图3为本发明的软件流程图。

附图标号说明：

1－永磁同步电机PMSM 2－旋转变压器 3－转角位置解码器 4－IGBT驱动H桥5－隔离电路 6－电源电路 7－DSP71－CAN通信接口 72－SVPWM 73－软件死区时间补偿

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先，如图1所示，基于软件死区补偿的矢量控制器，包括数字信号处理器DSP7、永磁同步电机PMSM1、旋转变压器2、转角位置解码器3、IGBT驱动H桥4、隔离电路5和电源电路6，所述DSP7包括软件死区补偿算法73、空间电压矢量脉宽调制器SVPWM72和CAN通信接口71；其中，所述IGBT驱动H桥4与所述永磁同步电机PMSM1连接以对所述永磁同步电机PMSM1进行驱动控制；所述旋转变压器2与所述永磁同步电机PMSM1连接以实时检测所述永磁同步电机PMSM1转子的转角位置；所述转角位置解码器3与所述旋转变压器2连接以解码所述转角位置，解码后的转角位置为数字信号；所述DSP7与所述转角位置解码器3连接以接收所述解码后的转角位置；所述DSP7的软件死区时间补偿73基于所述解码后的转角位置确定所述IGBT驱动H桥4的死区时间补偿量；所述空间电压矢量脉宽调制器SVPWM72产生的驱动信号控制所述IGBT驱动H桥4的开通关断,实现对永磁同步电机PMSM1的驱动。另外，所述矢量控制器的隔离电路5，处于所述SVPWM72和所述IGBT驱动H桥4之间并分别连接所述SVPWM72和所述IGBT驱动H桥4，用于实现二者的电路隔离；所述矢量控制器的电源电路6用于分别为所述DSP7和所述IGBT驱动H桥4供电；所述DSP7的CAN通信接口71，用于与外部通信设备连接以实现基于CAN总线的数据通信；所述DSP7可选择Texas Instruments德州仪器公司的TMS320F28232系列的芯片。

接着，参照图2继续对本发明进行详细说明，图2为本发明矢量控制器的IGBT驱动H桥上下管理想的开关驱动信号和实际开关驱动信号示意图，其中S⁺和S^-为IGBT驱动H桥上下管理想的开关驱动信号，S^+'和S^-'为IGBT驱动H桥上下管的实际开关驱动信号，其中①和②分别为上、下桥臂的理想驱动开关驱动信号，③和④分别为上、下桥臂的实际开关驱动信号，阴影部分为设置的死区时间Td，在死区时间内，IGBT开关管的上下桥臂都处于关断状态。在电机电流为正值的情况下，上管输出正电压的脉冲宽度减少了Td，而下管的实际导通时间延长了Td。为消除死区时间对输入电机的电流造成的影响，需要对死区时间进行补偿，补偿方法为将上管的导通时间在理想导通时间的基础上增加Td，下管的导通时间在理想导通时间的基础上减少Td；同理可知，在电机电流为负值的情况下，补偿方法是将上管的导通时间在理想导通时间的基础上缩短Td,下管的导通时间在理想导通时间的基础上增加Td。由于转角位置解码器3可以实时解算出转子相对于定子的位置，而根据转子位置可以确定出电机的三相电流的正负方向，从而可以确定进行死区补偿到底是需要延长导通时间Td，还是缩短导通时间Td。

下面，以转子位置在-60°～0°为例分析。采用Id=0的矢量控制策略，Id=0，Iq=Is，根据逆PARK变换式（1）可以得到该电流在α、β坐标系下电流I_α、I_β。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]$ 式(1)

再通过逆CLARK变换式（2）得到该电流在A、B、C三相坐标系下电流ia、ib、ic。

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 1\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}\right]$ 式(2)

根据上述公式可以确定，转子位于-60°时，需要施加的电流Iq位于30°的位置；转子位于0°时，需要施加的电流Iq位于90°的位置；因此，转子转角位置位于-60°～0°之间时，需要的A、B、C三相合成电流位于30°～90°之间，通过分析可以得到，该区间三相电流方向为A相为“+”，B相为“+”,C相为“-”。根据上述的补偿方式，需要将A相、B相上桥臂的开关导通时间延长Td，将A相、B相下桥臂的开关导通时间缩短Td；将C相上桥臂的导通时间缩短Td，将C相下桥臂的导通时间延长Td。

同理可以得出，转子在其他位置时，A相、B相、C相H桥的上下桥臂的导通时间延长或缩短Td，从而实现死区时间补偿。

接着，参照图3继续对本发明进行说明，图3为本发明的软件流程图。主程序开始后,先通过初始化301软件模块对必要的外设进行初始化操作，完成各外设的初始化后，进入主循环程序。主循环程序首先执行转子位置采集302模块，采集永磁同步电机PMSM1的转子转角位置信息，得到此时刻转子位置的电角度为0°～360°之间的某一个具体值。然后补偿区间判读303模块根据转子转角位置信息判断需要补偿的区间。软件304模块，根据六个不同的区间-60°～0°，0°～60°，60°～120°，120°～180°，180°～240°，240°～300°，分别进行死区补偿时间的换算，换算过程中补偿的死区时间见下表。

上表中，“+”代表该管导通时间增加Td，“-”代表该管导通时间减少Td。

通过上述死区补偿时间换算，可以计算出补偿后IGBT驱动H桥上下管实际开通关断时间。紧接着，通过软件死区补偿305模块，控制空间电压矢量脉宽调制器SVPWM72实现对IGBT驱动H桥上下管的驱动。实现单次IGBT开关管开通关断的死区补偿。

程序在工作时连续不断的循环，实时检测电机转子转角位置，通过软件实现对死区时间的实时补偿，从而实现减小电机控制器输出电流波形的畸变，保障了电机的有效运行，提高了电机控制的稳定性与可靠性的目的。

本发明的实现IGBT死区时间补偿的矢量控制器，通过调节IGBT开关管上下桥臂的导通时间，完成IGBT死区时间补偿功能，从而有效地减小电机控制器输出电流的畸变，提高电机控制***的稳定性与可靠性。本发明应用于新能源汽车驱动电机的控制，但不仅限于新能源汽车驱动电机的控制。

本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利保护范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利保护的范围。

Claims (9)

1.基于软件死区补偿的矢量控制器，其特征在于，所述矢量控制器包括：数字信号处理器DSP、永磁同步电机PMSM、旋转变压器、转角位置解码器、IGBT驱动H桥，所述数字信号处理器DSP包括软件死区时间补偿算法和空间电压矢量脉宽调制器SVPWM；其中，

所述IGBT驱动H桥与所述永磁同步电机PMSM连接以对所述永磁同步电机PMSM进行驱动控制；

所述旋转变压器与所述永磁同步电机PMSM连接以实时检测所述永磁同步电机PMSM转子的转角位置；

所述转角位置解码器与所述旋转变压器连接以解码转角位置，解码后的转角位置为数字信号；

所述DSP与所述转角位置解码器连接以接收所述解码后的转角位置；

所述DSP的软件死区补偿算法基于所述解码后的转角位置确定所述IGBT驱动H桥的死区时间补偿量；

补偿方法为将上管的导通时间在理想开关驱动信号时间的基础上增加死区时间Td，下管的导通时间在理想开关驱动信号时间的基础上减少死区时间Td；在电机电流为负值的情况下，补偿方法是将上管的导通时间在理想开关驱动信号时间的基础上缩短死区时间Td,下管的导通时间在理想开关驱动信号时间的基础上增加死区时间Td；

所述空间电压矢量脉宽调制器SVPWM产生的驱动信号控制所述IGBT驱动H桥的开通关断,实现对电机的驱动。

2.根据权利要求1所述的矢量控制器,其特征在于：

所述矢量控制器还包括：

隔离电路，处于所述SVPWM和所述IGBT驱动H桥之间并分别连接所述SVPWM和所述IGBT驱动H桥。

3.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于，所述矢量控制器还包括：

电源电路，分别为所述DSP和所述IGBT驱动H桥供电。

4.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述DSP还包括CAN通信接口，用于与外部通信设备连接以实现基于CAN总线的数据通信。

5.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述DSP为Texas Instruments德州仪器公司的TMS320F28232芯片。

6.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述DSP包含软件死区补偿算法，用于所述IGBT驱动H桥开通关断的死区时间的补偿。

7.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述软件死区补偿算法通过分析理想驱动信号与加入死区时间的实际驱动信号之间的差异，增加或减少驱动信号的开通关断时间，实现死区时间补偿，提高控制的稳定性。

8.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述软件死区补偿算法通过位置传感器获得转子位置信息，进而得到电压空间矢量所在区域和电流流向，确定IGBT的死区时间补偿量，避免电流过零点检测的误差导致补偿方向的错误。

9.根据权利要求1所述的矢量控制器，其特征在于：

所述软件死区补偿算法根据位置传感器获取转子位置信息，并根据电机三相电流的实际方向将转子位置角度划分为六个分区，分别实现在六个分区内不同的死区时间补偿。