CN104578858B - 一种逆变器的非线性补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子领域，公开了一种逆变器的非线性补偿方法。在本发明中，该方法包含以下步骤：对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识，并保存辨识结果，其中，非线性补偿时间与电流大小一一对应；根据辨识结果对逆变器进行非线性补偿。与现有技术相比，提高了逆变器的输出稳定性和准确性。而且，由于该方法仅是针对***中软件部分的改动，不需要额外的硬件设备，在提高***性能的同时也节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种逆变器的非线性补偿方法。
背景技术
逆变器是一种直流电转变为交流电的变压器。下面以A桥臂为例进行说明，在电压源逆变器控制***中，为了防止逆变器同一桥臂的两个开关管VT1与VT2同时处于导通状态而发生短路，必须在两个开关管开通信号间添加死区时间，如图1所示，其中，M表示电机。开关管VT1与VT2开通和关断都需要一段时间时，并不是完全与控制信号同步，即开关管与控制信号之间存在开通延迟时间和关断延迟时间。
除此以外，开关管VT1与VT2开通时，在开关管上存在一定的电压降；当反并联二极管VD1与VD2续流时，反并联二极管上也存在一定的压降。如图1所示，A点输出电压并不完全等于母线电压Vdc或0。由于开关管压降和反并联二极管压降相差不大，这里统一设为管压降Von。
在现有文献及逆变器非线性补偿技术中，总的非线性补偿时间TDT如式(1)所示。
其中td为死区时间，ton为开通延迟时间，toff为关断延迟时间，Vdc为母线电压值，Ts为脉冲宽度调制(PWM)周期值。
实际***中，只有死区时间td是人为设定的，大小为确定值。开通延迟时间ton和关断延迟时间toff与逆变器使用的开关管和逆变器电流的大小有关，为未知量，受开关管寄生电容的影响，***运行中是时刻变化的，且电流较小时变化范围大。管压降Von与逆变器所使用的开关管有关，同样为未知量。
实际应用中，传统的逆变器非线性补偿只采用死区时间td作为总的逆变器非线性补偿时间TDT，其它的未知量忽略不计。这会造成逆变器输出不准确，造成后续电路设备(如电机)正常工作时的稳定性差的影响。
另外，目前逆变器非线性补偿需要根据电流极性判断非线性补偿时间的正负。电流为正时补偿时间为TDT；电流为负时，补偿时间为-TDT。在电流过零点附近，电流的极性判断容易错误，造成补偿值的极性错误，电流波形与电压波形畸变严重。特别是无速度传感器矢量控制***中，低速时***稳定性变差。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种逆变器的非线性补偿方法，对所有非线性因素进行补偿，提高了对逆变器非线性补偿的准确性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种逆变器的非线性补偿方法，包含以下步骤：
对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识，并保存辨识结果；其中，所述非线性补偿时间与所述电流大小一一对应；
根据所述辨识结果对逆变器进行非线性补偿。
本发明实施方式相对于现有技术而言，提供了一种提高逆变器输出稳定性的方法。该方法通过辨识出不同电流大小对应的逆变器非线性时间，并据此对逆变器非线性补偿时间进行补偿，由于该方法对逆变器所有的非线性因素均进行了补偿，所以可以提高对逆变器非线性补偿的准确性。
进一步地，在对预设的N个电流值对应的非线性补偿时间逐步进行辨识的步骤中，利用如下公式计算电流对应的非线性补偿时间：
其中，Ts为脉冲宽度调制PWM周期值，Vdc为母线电压值，Ud为d轴电压，Rs为电机定子电阻值。通过该公式可以获得各不同电流值所对应的非线性补偿时间。
进一步地，在根据结果对逆变器进行非线性补偿的步骤中，若电机的三相电流中任一相电流ix的绝对值等于保存的、任一步的电流值Is[Step]，则该相电流ix的非线性补偿时间为该步电流值Is[Step]对应的非线性补偿时间；
若所述ix的绝对值满足Is[Step-1]＜|ix|＜Is[Step]，则利用如下公式计算该相电流ix的非线性补偿时间：
若|ix|＞Is[N]，则T′x为Tcomp[N]；
其中，x为a、b或c相，T′x为ix的非线性补偿时间。
利用公式(3)可以根据表格中的数据计算出未位列于表格中的电流对应的非线性补偿时间。
在所述根据所述辨识结果对逆变器进行非线性补偿的步骤中，若所述ix大于0，则所述T′x不变，否则，所述T′x的值取相反数。
当逆变器后端电机处于低速小电流时，逆变器非线性补偿时间受电流大小影响较大，由于利用该方法辨识出的相电流过零点附近的逆变器非线性补偿时间TDT较小，该方法对相电流极性判断的正确性要求不严格，可以改善电流波形及电压波形，提高逆变器输出稳定性。
进一步地，在对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识的步骤中，电机不转动，适合各种应用场合，从而保证了该辨识方法的易操作性。
附图说明
图1是现有技术中的逆变器结构图；
图2是本发明第一实施方式中的逆变器非线性时间辨识***框图；
图3是本发明第一实施方式的一种逆变器的非线性补偿方法流程图；
图4是本发明第一实施方式的逆变器非线性时间学习流程图；
图5是本发明第一实施方式的查表补偿程序流程图；
图6是本发明第一实施方式的传统矩形补偿波形图；
图7是本发明第一实施方式的查找表补偿波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种逆变器的非线性补偿方法，基于该非线性补偿方法的逆变器非线性时间辨识***框图如图2所示，本实施方式的流程图如图3所示。
在步骤301中，逆变器进行非线性时间辨识。本步骤采用如图2所示的***，其中，采用两个电流调节器，d轴与q轴两个电流反馈值能够分别跟随d轴与q轴的电流参考值，其中d轴电流反馈值(IdFdb)跟随d轴电流参考值(IdRef)，q轴电流反馈值(IqFdb)跟随q轴电流参考值(IqRef)。其中三相占空比计算器是将两个电流调节其输出的电压Ud、Uq及母线电压(Vdc)计算生成三相占空比Ta、Tb、Tc，PWM脉冲生成器是将Ta、Tb、Tc与逆变器的非线性补偿时间T′a、T′b、T′c生成的总的三相占空比生成六路脉冲信号控制逆变器中六个开关管的开通与关断；逆变器的输出三相电接电机的定子绕组；查表补偿是指具有非线性补偿功能的查表补偿程序；克拉克(Clarke)变换的作用是将ia、ib、ic三相电流信号经Clarke变换转换为两相信号IdFdb、IqFdb。
本步骤中的辨识流程具体如图4所示，包含如下子步骤：
步骤401：初始化寄存器值。其中，寄存器包含：步数寄存器与计数寄存器；步数寄存器中存储Step的值，Step的初始值为1，设置N为50；计数寄存器中存储Cnt的值，Cnt的初始值为0，设置最大值n为25(可以根据实际情况进行设置)；并设置每步电流的增大量c＝0.01。在本实施方式中，学习总步数N＝50，即Step的最大值为50，也就是，本实施方式中要学习50个电流值所对应的非线性补偿时间，以及每步学习时间n＝25。
步骤402：设图2中逆变器非线性补偿量T′a、T′b、T′c都为零，查表补偿程序不运行。
步骤403：设q轴电流参考值IqRef＝0。
步骤404：设d轴电流参考值IdRef＝Step*c，且此时计数器的计数值Cnt＝0，从0开始计数。
步骤405：判断Cnt是否等于n，如果Cnt等于n，则执行步骤406；如果Cnt小于n，则执行步骤407。此步骤中，计数器Cnt是为每步Step辨识过程计时。例如，当Step等于1时，向d轴输入的电流IdRef等于c*1，此时计数器Cnt开始计时，当Cnt等于n时，该步完成。
步骤406：利用公式2计算此时逆变器非线性补偿时间TDT，并把此时的d轴电流参考值IdRef与补偿时间TDT记录到表1中，同时，Cnt清零，Step加1。其中，辨识结果中非线性补偿时间与电流大小一一对应，在本实施方式中，辨识结果以表格的形式进行储存，数据存储形式以表格为例进行表示，但并不限于此。表1即为辨识结果，表1中包含辨识步数(Step)、每一个辨识步数(Step)对应的电流值Is[Step]与对应的补偿时间Tcomp[Step]。其中，Step小于或者等于50；Is[Step]＝IdRef＝c*Step，Tcomp[Step]等于第Step步辨识出来的逆变器非线性补偿时间TDT，即Tcomp[Step]＝TDT，Step加1(Step++)。其中，公式2如下：
其中，Is[Step]为第Step步的d轴电流参考值，Tcomp[Step]为第Step步的Is[Step]所计算出的非线性补偿时间，Ts为脉冲宽度调制PWM周期值，Vdc为母线电压值，Ud为d轴电压，Rs为电机定子电阻值。
步骤407，Cnt加1，并返回步骤405。若Cnt小于n，则加1后，继续计时，直至Cnt等于n。
步骤408：判断Step是否大于或者等于N；如果Step小于N，则继续执行步骤404；如果Step大于或等于N，则辨识结束。通过该辨识过程可以精确计算得到不同电流值对应的非线性时间，从而保证进行非线性补偿的准确性。
表1
| Step | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | … | N |
| Is[Step] | Is[1] | Is[2] | Is[3] | Is[4] | Is[5] | … | Is[N] |
| Tcomp[Step] | Tcomp[1] | Tcomp[2] | Tcomp[3] | Tcomp[4] | Tcomp[5] | … | Tcomp[N] |
到此为止，对预设的N个电流值对应的非线性补偿时间，从1至N对每一步电流值的非线性补偿时间完成了逐步辨识。
逆变器非线性补偿时间辨识时，查表辨识程序不运行，此时T′a、T′b、T′c都为零。当辨识完成，***正常运行电机时，查表辨识程序才运行。
在步骤302中，辨识程序结束后，进行查表补偿。其中，查表补偿程序流程如图5所示，包含如下步骤：
步骤501：打开查表补偿程序。表格中记录了电流值与对应的补偿时间TDT。逆变器正常运行时查表补偿运算打开。
步骤502：采样三相电流ia、ib、ic的电流值，并设i＝0。采样三相电流ia、ib、ic的电流值的方式为电流传感器采样，所述电流传感器在图2中未标示出。
步骤503：判断i是否大于或者等于N，如果i大于或者等于N，则执行步骤505；如果i小于N，则执行步骤504。其中，i＝Step-1。
步骤504：判断ix的值是否满足Is[i]≤ix≤Is[i+1]，如果ix的值满足Is[i]≤ix≤Is[i+1]，则执行步骤507；如果ix的值不满足Is[i]≤ix≤Is[i+1]，则执行步骤506。
步骤505：T′x＝Tcomp[Step]，其中x可取x＝a、x＝b或x＝c，该步骤是判断当i大于等于N时，非线性补偿时间T′x可以直接用公式T′x＝Tcomp[Step]进行计算。
步骤506：i＝i+1，该步骤表示上一步骤504中ix的值不满足Is[i]≤ix≤Is[i+1]时，i的值加1后进入到步骤503进行再次判断。
步骤507：使用公式3计算T′x。该步骤表示ix的值满足Is[i]≤ix≤Is[i+1]条件时，需使用公式3计算T′x。其中，公式3如下：
其中Is[Step]为第Step步的d轴电流参考值，Is[Step-1]为第Step-1步的d轴电流参考值，Tcomp[Step]为第Step步的Is[Step]所计算出的非线性补偿时间，Tcomp[Step-1]为第Step-1步的Is[Step-1]所计算出的非线性补偿时间，ix是三相电流值(ix为ia、ib或ic)，T′x为若ix对应的非线性补偿时间，|ix|≥Is[N]，T′x为Tcomp[N]。
需要说明的是，若电机的三相电流中任一相电流ix的绝对值等于保存的、任一步的电流值Is[Step]，则该相电流ix的非线性补偿时间为该步电流值Is[Step]对应的非线性补偿时间，该非线性补偿时间也可以通过公式3计算得到，也可以直接读取表格中的数据获取。
步骤508：判断ix是否大于0，如果ix大于0，则查表补偿程序结束；如果ix小于等于0，则执行步骤509；
步骤509：T′x＝-T′x。该步骤表示若ix小于0，则取T′x的相反数作为非线性补偿时间。
到此为止，非线性补偿程序结束。
为了测试该发明的可行性和有效性，采用5.5kW变频器拖动4kW异步电动机做了实验对比分析。同等条件下，分别采用传统矩形逆变器非线性补偿方式和本发明的查表补偿方式。测试时采用转子磁链定向控制方式，并选取低速小电流情况，此时逆变器非线性影响较大，效果较明显。测试波形如图6、图7所示，其中编号1为相电流波形，编号2为相电压波形，编号3为补偿量。
由图6可知，传统的矩形补偿方式在电流过零点附近，电流波形会有波动，电压波形会有突变的毛刺，此时补偿量为规则的矩形；采用本发明提出的查表法时，电流波形与电压波形都有明显的改善，补偿量不再为规则的矩形。
本发明的第二实施方式设计一种逆变器的非线性补偿方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：本发明的第一实施方式中，c＝0.01，N＝50，可以在对非线性补偿时间辨识与对逆变器进行非线性补偿之间进行折中。而本发明的第二实施方式中，设c＝0.005，N＝100，n＝20该方法依然具有有效性，其中，c、N和n为不定值，需根据实际进行选择，并不仅限于以上所述，这里不在一一赘述。
另外，使用该非线性补偿方法进行非线性时间辨识时，电机不转动，这样，提高了该方法的易操作性。
进一步地，由于该方法仅是针对***中软件部分的改动，不需要额外的硬件设备，在提高***性能的同时也节约了成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：
对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识，并保存辨识结果；
其中，所述对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识的步骤中，对预设的N个电流值对应的非线性补偿时间逐步进行辨识；所述辨识结果中，所述非线性补偿时间与所述电流大小一一对应；所述N为大于1的自然数；
根据所述辨识结果对逆变器进行非线性补偿；
其中，所述辨识结果还包含辨识步数Step；每一个辨识步数Step对应一个电流值Is[Step]与一个补偿时间Tcomp[Step]；所述Step为自然数，且小于或者等于所述N；Is[Step]＝(c*Step)，所述Is[Step]为电机的d轴参考电流值，所述c为每步电流的增大量；
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所述Tcomp[Step]为第Step步的Is[Step]所计算出的非线性补偿时间；Ts为脉冲宽度调制PWM周期值，Vdc为母线电压值，Ud为d轴电压，Rs为电机定子电阻值。
2.根据权利要求1所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，所述辨识结果为一表格。
3.根据权利要求1所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，在所述对预设的N个电流值对应的非线性补偿时间逐步进行辨识的步骤中，包含以下子步骤：
预先设置所述Step的初始值为1；
从1至N对每一步电流值的非线性补偿时间逐步进行辨识。
4.根据权利要求1所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，在所述根据所述辨识结果对逆变器进行非线性补偿的步骤中，
若电机的三相电流中任一相电流ix的绝对值等于保存的、任一步的电流值Is[Step]，则该相电流ix的非线性补偿时间为该步电流值Is[Step]对应的非线性补偿时间；
若所述ix的绝对值满足Is[Step-1]<|ix|<Is[Step]，则利用如下公式计算该相电流ix的非线性补偿时间：
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若|ix|>Is[N]，则T'x为Tcomp[N]；
其中，x为a、b或c相，T'x为ix的非线性补偿时间。
5.根据权利要求4所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，在所述根据所述辨识结果对逆变器进行非线性补偿的步骤中，
若所述ix大于0，则所述T'x不变，否则，所述T'x的值取相反数。
6.根据权利要求1所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，在所述对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识的步骤之前，还包含以下步骤：
预先设置电机的q轴电流参考值IqRef为零，且设置电机的三相电流的非线性补偿时间均为零。
7.根据权利要求1所述的逆变器的非线性补偿方法，其特征在于，在所述对逆变器的非线性补偿时间随电流大小的变化进行辨识的步骤中，电机不转动。
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