一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统及补偿方法

摘要

一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统，包括感应电机、死区计算补偿模块、矢量控制模块和逆变器，感应电机与逆变器连接，矢量控制模块的信号输出端与逆变器连接，死区计算补偿模块与矢量控制模块的输出电压连接，经过补偿后的输出电压与逆变器连接，将电压补偿给逆变器；本发明有益效果：解决目前死区补偿方法中存在的问题，减少人工的工作量，在电机运行前预热电机，死区补偿后，电机的性能得到提升。

说明书

技术领域

本发明涉及异步电机领域，具体地说是一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统及补偿方法。

背景技术

无速度传感器矢量控制技术已经广泛应用于异步电机驱动系统，其控制精度主要取决于磁链估算的准确性。在多种矢量控制算法中，磁链的估算都直接或间接依赖感应电动势的积分，而感应电动势又依赖于定子电压测量的准确性，考虑到成本及精度的原因，采用矢量脉冲宽度调制模块的输出电压代替定子电压。

空间矢量脉冲宽度调制电压源型逆变器低频和轻载时的死区效应导致电机相电压和相电流畸变、零电流钳位效应以及转矩和转速脉动等问题，系统性能降低。为提高系统性能，对死区进行研究是非常必要的。

目前国内提出的死区补偿方法主要分为前馈方式和反馈方式两种。反馈方式需要借助光耦捕获脉宽信号，用DSP的脉宽捕获单元可以得到脉宽宽度，这种方式将电压整形成了标准方波，以及DSP检测存在滞后，A/D转换精度等原因，精度难以得到提升。前馈方式基于方波和梯形波模型，前者容易造成电流钳位，后者需要计算电流相位角。另外还有人工检测的方法，工作量巨大，不适合规模化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统及补偿方法，解决目前死区补偿方法中存在的问题，减少人工的工作量，在电机运行前预热电机，死区补偿后，电机的性能得到提升。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统，包括感应电机、死区计算补偿模块、矢量控制模块和逆变器，感应电机与逆变器连接，矢量控制模块的信号输出端与逆变器连接，死区计算补偿模块与矢量控制模块的输出电压连接，经过补偿后的输出电压与逆变器连接，将电压补偿给逆变器；

所述的矢量控制模块包括励磁电流与转矩电流对比模块、PI控制器、2r/2s变换模块和2s/3s变换模块，感应电机的信号输出端依次通过2s/3s变换模块和2r/2s变换模块与励磁电流与转矩电流对比模块的信号输入端连接，励磁电流与转矩电流对比模块的信号输出端与PI控制器的信号输入端连接，PI控制器与2r/2s变换模块连接，2r/2s变换模块的信号输出端与2s/3s变换模块的信号输入端连接，2s/3s变换模块的信号输出端与死区计算补偿模块的信号输入端连接，将采集到的电网侧三相电信息传递给死区计算补偿模块；

所述的死区计算补偿模块包括信号调理模块Ａ、信号调理模块B、DSP控制器和变频器，感应电机与信号调理模块Ａ的信号输入端连接，信号调理模块A通过A/D 转换器与DSP控制器连接；所述矢量补偿模块中的2s/3s变换模块的信号输出端与死区计算补偿模块中的信号调理模块B的信号输入端连接，信号调理模块B的信号输出端与DSP控制器的信号输入端连接；DSP控制器的IGBT信号输出端分别与变频器和逆变器的信号的输入端连接，变频器与逆变器连接，将转换后的电压补偿到逆变器中。

一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、输入直流电流激励：关闭c相桥臂的上下两个IGBT，通过单相工作的逆变器分别向感应电机输入两次不同PWM频率的单相直流电流激励，两次输入激励电流大小分别为感应电机额定电流的70%和90%；

步骤二、信号的调理：从传感器采集的三相电压信号分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

步骤三、从检电路出来的信号进入DSP进行A/D转换数字量化；

步骤四、逆变器输入与输出的误差电压为：

（1）；

其中：为误差电压的真实值，为IGBT正向导通压降，为二极管导通压降，为直流激励电压，为逆变器直流母线电压，为PWM的频率，为对应电流的延时时间，i为电流，表示电流方向，设定电流流入电机的方向为正方向，此时取+1，相反取-1；

误差电压的估计值和真实值之间的关系为：

（2）；

其中：为激励电流，为误差电压的估计值， 为测量得到的定子电阻值，为真实电阻值；

两次测量值代入（1）式中计算得到，并将代入（2）式中，两次得到的方程（2）相减消去电阻得到误差方程：

（3）；

其中，为两次误差电压估计值之差，为两次误差电压真实值之差，、分别为第1、2次测量得到的定子电阻值；

最后将误差电压方程（1）代入误差方程（3）中，可得对应电流的延时时间：

（4）；

其中，为占空比之差，为PWM频率之差；

步骤五、计算出三相静止轴系的误差电压：实际输出电压与理想输出电压在周期内的误差电压表示为：

（5）；

三相电路的误差电压均为；

步骤六、误差电压的补偿：将计算出来的误差电压通过D/A转换，与输入逆变器的三相静止轴系电压分别进行相加补偿，达到死区补偿效果。

本发明的有益效果是：在传统逆变器死区补偿模型中，无论前馈方式还是反馈方式，要么受到检测硬件的局限性影响，要么人力工作量大，要么没有考虑到开关电压的渐变性。常规的方法，只是在电流单向时检测到死区时间和误差电压，在电流反向的瞬间没有把握好电流的变化过程，造成电流钳位及过零点不稳定现象，影响电机的性能。采用本发明提供的死区补偿方法，不需考虑电流的方向问题，通过两个不同频率的电流自动检测得到延时曲线，两条曲线相减后计算每一个电流值对应的延时时间，电流过零时误差电压可以近似为线性关系，延迟时间在零点被强制为0，因此误差时间可以中心对称到第三象限。另外，感应电机运行前进行自动检测，既减少了人工的工作量，又在感应电机运行前预热了电机，死区补偿后，电机的性能得到提升。

附图说明

图1为本发明逆变器死区计算补偿的系统框图；

图2为本发明具有死区计算补偿的感应电机矢量控制框图。

图中标记：1、变频器，2、逆变器，3、感应电机，4、信号调理模块A，5、励磁电流与转矩电流对比模块，6、PI控制器，7、2r/2s变换模块，8、2s/3s变换模块，9、死区计算补偿模块，10、信号调理模块B。

具体实施方式

一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿系统，包括感应电机3、死区计算补偿模块9、矢量控制模块和逆变器2，感应电机3与逆变器2连接，矢量控制模块的信号输出端与逆变器2连接，死区计算补偿模块9与矢量控制模块的输出电压连接，经过补偿后的输出电压与逆变器2连接，将电压补偿给逆变器2；

所述的矢量控制模块包括励磁电流与转矩电流对比模块5、PI控制器6、2r/2s变换模块7和2s/3s变换模块8，感应电机3的信号输出端依次通过2s/3s变换模块8和2r/2s变换模块7与励磁电流与转矩电流对比模块5的信号输入端连接，励磁电流与转矩电流对比模块5的信号输出端与PI控制器6的信号输入端连接，PI控制器6与2r/2s变换模块7连接，2r/2s变换模块7的信号输出端与2s/3s变换模块8的信号输入端连接，2s/3s变换模块8的信号输出端与死区计算补偿模块9的信号输入端连接，将采集到的电网侧三相电信息传递给死区计算补偿模块；

所述的死区计算补偿模块9包括信号调理模块Ａ4、信号调理模块B10、DSP控制器和变频器1，感应电机3与信号调理模块Ａ4的信号输入端连接，信号调理模块A4通过A/D 转换器与DSP控制器连接；所述矢量补偿模块中的2s/3s变换模块8的信号输出端与死区计算补偿模块9中的信号调理模块B10的信号输入端连接，信号调理模块B10的信号输出端与DSP控制器的信号输入端连接；DSP控制器的IGBT信号输出端分别与变频器1和逆变器2的信号的输入端连接，变频器1与逆变器2连接，将转换后的电压补偿到逆变器2中。

死区计算补偿模块9通过采集感应电机3输入端电流信号计算补偿电压值，通过2s/3s变换模块输出的电压信号计算相位角，然后通过变频器1将同相位的误差电压叠加到逆变器2输入端，达到补偿目的；

感应电机输入端的三相电流经过3s/2s和2s/2r变换得到实际励磁电流i_d和转矩电流i_q，与期望的励磁电流i_d^*和转矩电流i_q^*在励磁电流与转矩电流对比模块5进行对比后构成反馈，通过PI控制器6的调节后得到d、q轴电压u_d^*和u_q^*，然后经过2r/2s变换模块7变换后，得到u_α^*和u_β^*，最后经过2s/3s变换模块8变换后得到3相电网侧电压，与死区计算补偿模块9输出的同相位补偿电压叠加后通过逆变器2进入电机。

一种运用到矢量控制中的逆变器死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、输入直流电流激励：关闭c相桥臂的上下两个IGBT，通过单相工作的逆变器分别向感应电机输入两次不同PWM频率的单相直流电流激励，两次输入激励电流大小分别为感应电机额定电流的70%和90%；

步骤二、信号的调理：从传感器采集的三相电压信号分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

步骤三、从检电路出来的信号进入DSP进行A/D转换数字量化；

步骤四、逆变器输入与输出的误差电压为：

（1）；

其中：为误差电压的真实值，为IGBT正向导通压降，为二极管导通压降，为直流激励电压，为逆变器直流母线电压，为PWM的频率，为对应电流的延时时间，i为电流，表示电流方向，设定电流流入电机的方向为正方向，此时取+1，相反取-1；

误差电压的估计值和真实值之间的关系为：

（2）；

其中：为激励电流，为误差电压的估计值， 为测量得到的定子电阻值，为真实电阻值；

两次测量值代入（1）式中计算得到，并将代入（2）式中，两次得到的方程（2）相减消去电阻得到误差方程：

（3）；

其中，为两次误差电压估计值之差，为两次误差电压真实值之差，、分别为第1、2次测量得到的定子电阻值；

最后将误差电压方程（1）代入误差方程（3）中，可得对应电流的延时时间：

（4）；

其中，为占空比之差，为PWM频率之差；

步骤五、计算出三相静止轴系的误差电压：实际输出电压与理想输出电压在周期内的误差电压表示为：

（5）；

三相电路的误差电压均为；

步骤六、误差电压的补偿：将计算出来的误差电压通过D/A转换，与输入逆变器的三相静止轴系电压分别进行相加补偿，达到死区补偿效果。

首先将电压源型逆变器的c相上下两个IGBT功率管关闭，由于在感应电机的运行过程中定子电阻不是固定值，电阻值会随温度的变化而改变，所以需要两次测量，通过减法将定子电阻值消去。通过单相工作的逆变器给感应电机加入两个不同PWM频率的单相直流电流激励，感应电机自然静止，激励电流采用电机额定电流的90%和额定电流的70%，激励电流不可过大或过小，将两条d-i曲线对应相减得到△d与电流i的关系曲线，根据方程求出延时时间，最后将算出的周期内误差电压补偿到逆变器输入电压上。另外电流过零点时，难以准确测量，但是可以近似成过零的线性关系，所以可以假设电流为零时的误差时间被强制在0，因此可以中心对称到第三象限。

其次在传统逆变器死区补偿模型中，无论前馈方式还是反馈方式，要么受到检测硬件的局限性影响，要么人力工作量大，要么没有考虑到开关电压的渐变性。本发明提供一种新的逆变器死区检测方法进行自检测，避免了大量的人力劳动，将开关电压的渐变性考虑进去，通过两次不同频率的直流电流激励测量相比较，消去了实际定子电阻值，避免电阻值变化引起的误差。