CN111224537A - 一种基于相电流的逆变器死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相电流的逆变器死区补偿方法，包括：测量逆变器的死区时间；测量开通延时和关断延时；测量不同电流下的电压损失；计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，分四段进行函数拟合，得到电流‑补偿量的分段函数表达式；对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性；根据输入相电流的瞬时值，根据分段函数表达式计算各相的补偿值，换算成数字量调整PWM占空比。提高逆变器的线性度，提高线性控制器对其的控制性能，在伺服驱动器应用场合，能有效提高电流环性能，进而提高速度环、位置环的性能，尤其适用于低速、小负载、PWM载波频率高等场合。

Description

一种基于相电流的逆变器死区补偿方法

技术领域

本发明属于伺服控制领域，涉及一种基于相电流的逆变器死区补偿方法。

背景技术

逆变器是将直流电能转换成定频定压或者调频调压交流电能的转换器，广泛用于变频器、伺服驱动器中，进而在空调、电动汽车、洗衣机、电风扇、电动工具等家用电器和工业设备中应用。逆变器是弱电与强电的媒介，通过数字信号处理芯片发出的低压弱电驱动信号，控制绕组两端的强电。

永磁同步电机的逆变器结构一般为三相半桥型，如图1所示，通常为了避免电源直通，每个桥臂的上下两功率管的驱动信号为互补信号。然而，功率管的开关往往伴随寄生电容的充放电，因此开关是一个过程，且开关所需要的时间不同，如此容易出现其中一个功率管未完全关断，同桥臂的另一个功率管已经开启的情况，即电源短路的风险。针对此问题设置了驱动信号的死区时间(T_d)，在互补信号中开通信号会延时T_d作用，关断信号正常作用。由于死区时间的加入会导致逆变器输出的幅值和相位产生误差，称为死区效应。死区效应导致了严重的逆变器非线性，为了使在线性控制器***中得到更好的效果，需进行逆变器有效的死区补偿。

发明内容

本发明目的是：提供一种基于相电流的逆变器死区补偿方法，包括功率管特性测量、基于相电流的逆变器补偿方案、基于电流矢量的极性校正。

本发明的技术方案是：一种基于相电流的逆变器死区补偿方法，该基于相电流的逆变器死区补偿方法包括：

测量逆变器的死区时间；

测量开通延时和关断延时；

测量不同电流下的电压损失；

计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，分四段进行函数拟合，得到电流-补偿量的分段函数表达式；

对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性；

根据输入相电流的瞬时值，根据所述分段函数表达式计算各相的补偿值，换算成数字量调整PWM占空比。

其进一步的技术方案是：所述测量逆变器的死区时间，包括：

获取数字信号处理芯片对桥臂上下两功率管输出的PWM信号；

将所述PWM信号的电平跳变时刻的时间差值确定为死区时间T_d。

其进一步的技术方案是：所述测量开通延时和关断延时，包括：

获取功率管的门极驱动电压V_gs、漏极电流I_d、漏极源极电压V_ds；

当IGBT开通时，将漏极电流I_d上升到最大值的10％到漏极源极电压V_ds下降到最大值的10％之间的时间确定为开通延时T_on；

当IGBT关断时，将漏极源极电压V_ds下降到开通值的90％到漏极电流I_d下降至负载电流的90％之间的时间确定为关断延时T_off。

其进一步的技术方案是：所述测量不同电流下的电压损失，包括：

获取功率管上桥臂的门极驱动电压Up_V_gs、下桥臂的门极驱动电压Down_V_gs和下桥臂的漏极源极电压V_ds；

测试绕组中不同电流下的V_ds波形，计算电压损失。

所述计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，包括：

将所述电压损失换算成开通时间损失T_pc；

根据电流和开通时间损失T_pc的对应关系绘制成二维表。

其进一步的技术方案是：所述对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性，包括：

对三相电流i_u、i_v、i_w进行采样，经过坐标变换得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

根据所述直轴电流i_d和所述交轴电流i_q计算电流矢量角；

与相电流的极性对比；

当相电流因检测不准确导致极性错误时，根据所述电流矢量角对所述极性进行校正。

其进一步的技术方案是：所述换算成数字量调整PWM占空比，包括：

根据得到的死区时间T_d、开通延时T_on、关断延时T_off、开通时间损失T_pc，对输出PWM的CMP进行调整。

本发明的优点是：

提供了一种完善的逆变器死区补偿方案，除死区时间外，还考虑了开通延时、关断延时，开通延时与关断延时一般认为定值，可测取或在器件手册中读取，关于寄生电容的影响，其表现为是相电流的函数，通过测量功率管漏极源极电压来计算其带来的电压偏差，此外提供了相电流的极性校正方法。利用本发明提供的逆变器死区补偿方案，能提高逆变器的线性度，提高线性控制器对其的控制性能，在伺服驱动器应用场合，能有效提高电流环性能，进而提高速度环、位置环的性能，尤其适用于低速、小负载、PWM载波频率高等场合。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本申请一个实施例提供的逆变器拓扑图；

图2是本申请一个实施例提供的基于相电流的逆变器死区补偿方法的流程图；

图3是本申请一个实施例提供的电流-漏极源极电压V_ds的关系图；

图4是本申请一个实施例提供的电流-电压偏差图；

图5是本申请另一个实施例提供的基于相电流的逆变器死区补偿方法的流程图。

具体实施方式

实施例：本申请基于三相半桥式逆变器，正弦波永磁同步电机，空间电压矢量调制(SVPWM)方式，脉冲宽度调制PWM为增减计数方式，死区时间设置为上升沿加入死区。本申请针对高精度伺服驱动器场合，逆变器因死区设置导致严重非线性的问题，提出了一种基于相电流极性在线校正且考虑寄生电容的补偿方法。传统的死区补偿方案，仅针对死区时间，所有场合的补偿相同值，在出现相电流分段后，加入平滑角，仅仅是避免但未正面解决，本申请从功率器件的工作原理分析，不同电流和PWM段下采用不同的值进行补偿，正面解决了分段现象。此外，该方法是一种基于对象的方法，提供测量对象各项指标的途径，并依据其指标实施补偿策略。

如图2所示，该基于相电流的逆变器死区补偿方法可以包括：

步骤1，测量逆变器的死区时间。

可选的，逆变器的死区时间的测量可以通过以下步骤：

第一步，获取数字信号处理芯片对桥臂上下两功率管输出的PWM信号。

数字信号处理芯片桥臂输出的PWM信号，二者为近似互补的数字信号。

可选的，数字信号处理芯片可以是DSP芯片。

第二步，将上下两功率管的PWM信号的电平跳变时刻的时间差值确定为死区时间T_d。

步骤2，测量开通延时和关断延时。

可选的，对于开通延时和关断延时的测量可以通过以下步骤：

第一步，获取功率管的门极驱动电压V_gs、漏极电流I_d、漏极源极电压V_ds。

第二步，当IGBT开通时，将漏极电流I_d上升到最大值的10％到漏极源极电压V_ds下降到最大值的10％之间的时间确定为开通延时T_on。

第三步，当IGBT关断时，将漏极源极电压V_ds下降到开通值的90％到漏极电流I_d下降至负载电流的90％之间的时间确定为关断延时T_off。

步骤3，测量不同电流下的电压损失。

可选的，对于电压损失的测量，考虑了寄生电容的影响，可以通过以下步骤实现：

第一步，获取功率管上桥臂的门极驱动电压Up_V_gs、下桥臂的门极驱动电压Down_V_gs和下桥臂的漏极源极电压V_ds。

第二步，测试绕组中不同电流下的V_ds波形，计算电压损失。

步骤4，计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，分四段进行函数拟合，得到电流-补偿量的分段函数表达式。

可选的，对于计算不同电流情况下的补偿量，绘制二维表，可以包括以下步骤：

第一步，将电压损失换算成开通时间损失T_pc。

第二步，根据电流和开通时间损失T_pc的对应关系绘制成二维表。

针对步骤3和步骤4，按照电流的大小可以分为四种情况，电容的放电规律为：

如图3所示，死区时间内，以下管为例，电容先从续流二极管放电，电流越大，电压下降越快。根据电流大小可分为四种情况：

(a)在死区时间T_d内，I₂刚好使得电压下降为0，电压多作用了I₂与X轴围成的三角形面积。

(b)若电流小于I₂，例如I₁时，在死区时间内电容还未放电完成，死区结束后，功率管导通，电容由功率管迅速放电，电压多作用了I₂与X轴和X＝T_d围成的梯形面积。

(c)若电流大于I₂，例如I₃时，在死区时间内，电容早已放电完成，电压多作用了I₃与X轴围成的三角形面积，且随着电流增加，面积变化较小；因此需测试不同电流下的电压偏差，将电压偏差等效成时间偏差记为T_pc，以电流为横坐标，T_pc为纵坐标绘制二维表，如图4所示，将曲线分为三段拟合，进而得到PWM占空比补偿量。

(d)若电流方向相反，即图3的负半轴，则通过上桥臂二极管续流，近似认为不受寄生电容的影响。

因此对于下管，电流为负时电压瞬时降低；电流为正(流入逆变器为正)时，电流越大，电压下降越快。上管的特性与下管类似，电流为正时，电压瞬时降低；电流为正时，电流越大，电压下降越快，这里不再赘述。每个完整的PWM周期会出现两次死区时间，因此要分别分析处理。

步骤5，对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性。

可选的，对于电流极性的校对，可以包括以下步骤：

第一步，对三相电流i_u、i_v、i_w进行采样，经过坐标变换得到直轴电流i_d和交轴电流i_q。

计算方法为：

第二步，根据直轴电流i_d和交轴电流i_q计算电流矢量角。

对直轴电流i_d、交轴电流i_q进行低通滤波处理，取电角度θ_e，θ_i计算如下：

求取直轴电流i_d、交轴电流i_q矢量角δ，因此电流矢量角为：

θ_i＝θ_e+δ (5)

第三步，与相电流的极性对比。

判断电流矢量角θ_i所在扇区可判断电流极性，当与三相电流符号极性不同时对相电流极性进行修正。

判断θ_i所在扇区可判断电流极性，如下表所示：

表1

sinθ<sub>i</sub>	cosθ<sub>i</sub>	极性
			(-1/2,1/2]	>0	+--
(-1/2,1/2]	<0	-++
			(1/2,1]	>0	++-
(1/2,1]	<0	-+-
			[-1,-1/2]	>0	+-+
[-1,-1/2]	<0	--+

当与三相电流符号极性不同时对相电流极性进行修正。

第四步，当相电流因检测不准确导致极性错误时，根据电流矢量角对极性进行校正。

步骤6，根据输入相电流的瞬时值，根据分段函数表达式计算各相的补偿值，换算成数字量调整PWM占空比。

可选的，换算成数字量调整PWM占空比，可以根据得到的死区时间T_d、开通延时T_on、关断延时T_off、开通时间损失T_pc，对输出PWM的时基计数器CMP进行调整。

根据电流大小，PWM所在前半段或后半段，前半段的补偿值为：

后半段的补偿值为：

最后将补偿值T_cpm在PWM的CMP进行调整。

如图4所示，其示出了本申请提供的基于相电流的逆变器死区补偿方法的流程图，对电流采样和校正，根据PWM计数器判断是小于PRD/2还是大于PRD/2，其中，PRD是指时基周期计数器，确定在左半边还是右半边，确定出开通时间损失T_pc，结合测试得到的死区时间T_d、开通延时T_on、关断延时T_off确定补偿值T_cpm，根据补偿值T_cpm对PWM的占空比调整。

综上所述，本申请提供的基于相电流的逆变器死区补偿方法，提供了一种完善的逆变器死区补偿方案，除死区时间外，还考虑了开通延时、关断延时，开通延时与关断延时一般认为定值，可测取或在器件手册中读取，关于寄生电容的影响，其表现为是相电流的函数，通过测量功率管漏极源极电压来计算其带来的电压偏差，此外提供了相电流的极性校正方法。利用本发明提供的逆变器死区补偿方案，能提高逆变器的线性度，提高线性控制器对其的控制性能，在伺服驱动器应用场合，能有效提高电流环性能，进而提高速度环、位置环的性能，尤其适用于低速、小负载、PWM载波频率高等场合。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述基于相电流的逆变器死区补偿方法包括：

测量逆变器的死区时间；

测量开通延时和关断延时；

测量不同电流下的电压损失；

计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，分四段进行函数拟合，得到电流-补偿量的分段函数表达式；

对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性；

根据输入相电流的瞬时值，根据所述分段函数表达式计算各相的补偿值，换算成数字量调整PWM占空比。

2.根据权利要求1所述的基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述测量逆变器的死区时间，包括：

获取数字信号处理芯片对桥臂上下两功率管输出的PWM信号；

将所述PWM信号的电平跳变时刻的时间差值确定为死区时间T_d。

3.根据权利要求2所述的基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述测量开通延时和关断延时，包括：

获取功率管的门极驱动电压V_gs、集电极电流I_d、漏极源极电压V_ds；

当IGBT开通时，将漏极电流I_d上升到最大值的10％到漏极发射极电压V_ds下降到最大值的10％之间的时间确定为开通延时T_on；

当IGBT关断时，将漏极源极电压V_ds下降到开通值的90％到漏极电流I_d下降至负载电流的90％之间的时间确定为关断延时T_off。

4.根据权利要求3所述的基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述测量不同电流下的电压损失，包括：

获取功率管上桥臂的门极驱动电压Up_V_gs、下桥臂的门极驱动电压Down_V_gs和下桥臂的漏极源极电压V_ds；

测试绕组中不同电流下的V_ds波形，计算电压损失。

所述计算不同相电流情况下的补偿量，绘制二维表，包括：

将所述电压损失换算成开通时间损失T_pc；

根据电流和开通时间损失T_pc的对应关系绘制成二维表。

5.根据权利要求4所述的基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述对三相电流进行采样变换处理，计算电流矢量角，校对电流极性，包括：

对三相电流i_u、i_v、i_w进行采样，经过坐标变换得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

根据所述直轴电流i_d和所述交轴电流i_q计算电流矢量角；

与相电流的极性对比；

当相电流因检测不准确导致极性错误时，根据所述电流矢量角对所述极性进行校正。

6.根据权利要求5所述的基于相电流的逆变器死区补偿方法，其特征在于，所述换算成数字量调整PWM占空比，包括：

根据得到的死区时间T_d、开通延时T_on、关断延时T_off、开通时间损失T_pc，对输出PWM的CMP进行调整。

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