本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域，針對永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的逆變器采用傳統(tǒng)的空間矢量脈沖寬度調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，簡稱SVPWM)驅(qū)動脈沖信號設(shè)置死區(qū)時間而造成的電流波形畸變技術(shù)問題，提出了一種基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷進(jìn)行逆變器死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

背景技術(shù)：

永磁同步電動機(jī)電流波形畸變會造成電動機(jī)發(fā)熱加重，電磁轉(zhuǎn)矩波動增加，振動噪聲增大。造成電流波形畸變有兩方面原因：一方面是由于永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)的原因，導(dǎo)致定子繞組內(nèi)永磁成感應(yīng)的反電動勢波形不是理想的正弦波；另一方面是為了防止三相逆變器每個橋臂的上下兩只功率開關(guān)管直通短路而特意為上下兩只功率開關(guān)管SVPWM驅(qū)動脈沖信號設(shè)置死區(qū)時間造成的。

功率開關(guān)管SVPWM驅(qū)動信號加入死區(qū)時間后，雖然有效地防止了逆變橋每個橋臂的上下兩只功率開關(guān)管直通短路，卻導(dǎo)致了逆變各相輸出電壓出現(xiàn)損失，致使永磁同步電動機(jī)的各相電流波形出現(xiàn)畸變。迄今為止，針對逆變器死區(qū)補(bǔ)償大概分為兩種辦法。一種基于平均電壓誤差的補(bǔ)償法，另一種是基于脈沖的補(bǔ)償法。

基于平均電壓誤差的方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是補(bǔ)償不夠精確。基于脈沖的補(bǔ)償法能夠精確補(bǔ)償死區(qū)時間，但對控制芯片要求較高。

上述兩種方法都需要對電流極性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，而電流極性判斷正確與否直接影響著補(bǔ)償效果的好壞。尤其在電動機(jī)低速轉(zhuǎn)動時，由于電流采樣噪聲，導(dǎo)致電流穿越零點(diǎn)時在零點(diǎn)附近徘徊，精確檢測電流穿越零點(diǎn)非常困難。

已有的采用新型FIR(Finite Impulse Response,簡稱FIR)濾波器只能對固定頻率的電流波形進(jìn)行濾波而不產(chǎn)生相移，本發(fā)明采用基于時間局部迭代最小二乘法可以對不同頻率下的電流基波分量進(jìn)行預(yù)測還原，而不產(chǎn)生相移，從而對不同頻率電流基波分量的極性都能進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服已有逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法存在電流極性判斷的不準(zhǔn)的技術(shù)難題。本發(fā)明采用時間局部迭代最小二乘法(Local Time Iterative Least Square，簡稱LTILS)對永磁同步電動機(jī)的各相電流極性進(jìn)行判斷，通過獲得的各相電流極性信號分別對各相采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)生成的SVPWM驅(qū)動脈沖信號重新設(shè)置死區(qū)時間，實(shí)現(xiàn)逆變器死區(qū)補(bǔ)償，從而減小功率開關(guān)管驅(qū)動信號加入死區(qū)時間造成的電流波形畸變。在不用增加額外的硬件電路的條件下，只需通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷的逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法，首先，在永磁同步電動機(jī)驅(qū)動逆變器的數(shù)字信號處理器中，采用時間局部迭代最小二乘法對包含噪聲的永磁同步電動機(jī)A相、B相和C相的離散采樣電流的基波分量進(jìn)行還原，對上述A相、B相和C相電流過零點(diǎn)做出正確判斷，得到A相、B相和C相電流極性判斷結(jié)果；然后，根據(jù)判斷得到的A相、B相和C相電流極性判斷結(jié)果對由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號對A相、B相和C相的空間矢量脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動脈沖信號添加死區(qū)時間T_d，作為死區(qū)時間補(bǔ)償；其中：

對于A相，當(dāng)A相電流大于零以及由大于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器A相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器A相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器A相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；當(dāng)A相電流小于零以及由小于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器A相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器A相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器A相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；

對于B相，當(dāng)B相電流大于零以及由大于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器B相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器B相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器B相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；當(dāng)B相電流小于零以及由小于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器B相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器B相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器B相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；

對于C相，當(dāng)C相電流大于零以及由大于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器C相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器C相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器C相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；當(dāng)C相電流小于零以及由小于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器C相的下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；逆變器C相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且逆變器C相的上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通。

本發(fā)明方法最終實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的實(shí)際電壓與由空間矢量脈沖寬度調(diào)制得到的未加死區(qū)時的理想的輸出電壓一致，能夠有效地減小逆變器死區(qū)所引起的永磁同步電動機(jī)各相電流波形的畸變，使得永磁同步電動機(jī)A相、B相和C相電流波形的畸變得到有效改善。本發(fā)明方法算法簡單，相比于基于電流空間矢量坐標(biāo)變換等方法省去了坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)。

附圖說明

圖1為電壓源型逆變器供電的永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制框圖；

圖2(a)至圖2(d)分別為A相電流在逆變器A相橋臂上、下兩只功率開關(guān)管中流通的路徑圖；

圖3所示為傳統(tǒng)的逆變器SVPWM驅(qū)動脈沖信號死區(qū)時間T_d添加方法以及由此造成逆變器輸出電壓損失的示意圖；

圖4所示為采用時間局部迭代最小二乘法進(jìn)行電流波形擬合實(shí)現(xiàn)逆變器SVPWM驅(qū)動脈沖信號添加死區(qū)時間T_d方法的流程圖；

圖5所示為逆變器SVPWM驅(qū)動脈沖信號采用本發(fā)明添加死區(qū)時間T_d的示意圖；

圖6所示為基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷的逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法控制框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出的一種基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷的逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法，如圖6所示主要包括三部分：(1)通過時間局部迭代最小二乘法對帶有噪聲的各相電流基波分量進(jìn)行實(shí)時還原。(2)通過各相電流基波分量在三相ABC坐標(biāo)下進(jìn)行電流極性判斷。(3)根據(jù)各相電流極性分別對各相對應(yīng)橋臂的上、下兩只功率開關(guān)管器件的SVPWM輸出脈沖信號添加死區(qū)時間，實(shí)現(xiàn)所謂的對傳統(tǒng)SVPWM控制的死區(qū)的補(bǔ)償。

由圖1所示的逆變器驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)框圖可見，三相逆變器由三個橋臂構(gòu)成，每個橋臂上、下兩只功率開關(guān)管器件組成，每個橋臂上、下兩只功率開關(guān)管器件中間處的為一個輸出端，三個橋臂的三個輸出端分別與永磁同步電動機(jī)的三相繞組輸入端連接。當(dāng)A相電流i_A>0時，V1驅(qū)動信號為高電平時，A相電流的流經(jīng)通路(帶箭頭的黑實(shí)線)如圖2(a)所示；V1驅(qū)動信號為低電平時，A相電流如圖2(b)所示是通過下橋臂的續(xù)流二極管續(xù)流。由此可見，當(dāng)A相電流i_A>0時，輸出電壓只與上橋臂的觸發(fā)脈沖有關(guān)。當(dāng)A相電流i_A<0時，V1驅(qū)動信號為高電平時，A相電流的流經(jīng)通路如圖2(c)所示；V1驅(qū)動信號為低電平時，A相電流如圖2(d)所示是通過下橋臂的續(xù)流二極管續(xù)流的。由此可見，當(dāng)A相電流i_A<0時，輸出電壓只與下橋臂的觸發(fā)脈沖有關(guān)。

為了防止電壓源逆變器每個橋臂上、下兩只功率開關(guān)管出現(xiàn)直通而發(fā)生的短路故障，采用對由SVPWM技術(shù)得到的原始PWM添加死區(qū)時間T_d。當(dāng)改變同一相上下橋臂的觸發(fā)信號極性時必須在同一相上下橋臂的觸發(fā)信號的下降沿與上升沿之間設(shè)置一個死區(qū)時間T_d的延遲。傳統(tǒng)的逆變器SVPWM驅(qū)動脈沖信號死區(qū)時間T_d添加方法以及由此造成逆變器輸出電壓損失的示意圖如圖3所示，圖中，U_DC為直流母線電壓，u_A為A相橋臂輸出的A相電壓，分別為采用SVPWM技術(shù)得到的尚未添加死區(qū)時間的A相橋臂上、下功率開關(guān)管V1、V4的驅(qū)動脈沖信號，u_V1、u_V4分別為采用傳統(tǒng)的添加死區(qū)時間后的A相橋臂上、下功率開關(guān)管V1、V4的驅(qū)動脈沖信號，V_err為采用傳統(tǒng)的添加死區(qū)時間后A相輸出電壓損失。由圖3可見，當(dāng)采取傳統(tǒng)的逆變器SVPWM輸出脈沖信號添加死區(qū)時間T_d方法時，使得輸出電壓較理想輸出電壓有一個誤差，永磁同步電動機(jī)電機(jī)相電壓中含有5、7次以及更高次數(shù)諧波分量，造成各相電流波形中也含有5、7次以及更高次數(shù)諧波電流分量，對電機(jī)運(yùn)行帶來不利影響。

由數(shù)字信號處理器(DSP)采樣得到的永磁同步電動機(jī)三相電流離散信號中含有大量高頻噪聲，若直接對三相電流的極性進(jìn)行判斷，這很可能在電流過零點(diǎn)附近出現(xiàn)極性判斷錯誤，若對三相電流采用普通濾波器直接濾波則導(dǎo)致濾波后的電流信號產(chǎn)生相移。通過時間局部迭代最小二乘法(LTILS)對帶有噪聲的相電流基波分量進(jìn)行實(shí)時還原，則可對三相電流的極性進(jìn)行正確判斷。

本發(fā)明提出的一種基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷的逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法，首先采用時間局部迭代最小二乘法對包含噪聲的永磁同步電動機(jī)A相、B相和C相各相離散采樣電流的基波分量進(jìn)行還原，從而對各相電流過零點(diǎn)做出正確判斷，得到各相電流極性判斷結(jié)果。

以A相為例，具體的實(shí)施流程如圖4所示。首先，對永磁同步電動機(jī)A相電流進(jìn)行采樣，采用時間局部迭代最小二乘法對包含噪聲的A相離散采樣電流的基波分量進(jìn)行還原，還原后的電流波形較原來的電流波形沒有相移。時間局部迭代最小二乘法的原理如下：

以A相為例，假定永磁同步電動機(jī)A相電流波形如式(1)所示

i_A(t)＝I₁sinωt+I₂cosωt+ε(t) (1)

式(1)中，ε(t)代表A相電流中的噪聲信號；I₁和I₂為兩個系數(shù)，不同的I₁和I₂組合可以實(shí)現(xiàn)對原來永磁同步電動機(jī)電流信號相位進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。

假定在時間區(qū)間[t₁，t_n]內(nèi)，采樣n個點(diǎn)，根據(jù)時間局部迭代最小二乘法，可得

式(2)和式(3)中，t_j(j＝1，2…，n)是區(qū)間[t₁，t_n]內(nèi)的離散采樣點(diǎn)。

由式(2)和式(3)可以推導(dǎo)出

由式(4)和式(5)最終得到

通過辨識得到的

就是對原來包括噪聲信號的永磁同步電動機(jī)A相電流信號基波分量的還原，相當(dāng)于對采樣來的包含噪聲信號的永磁同步電動機(jī)A相電流信號進(jìn)行了數(shù)字濾波作用。然后，將A相電流與零值進(jìn)行比較，得到A相電流極性判斷結(jié)果。

同理，對B和C兩相的電流采樣信號通過時間局部迭代最小二乘法可以辨識得到和和信號的極性與原來電流極性基本一致，對和信號的極性進(jìn)行極性判斷所得結(jié)果，便可以認(rèn)為是對原來三相電流進(jìn)行極性判斷的結(jié)果。

然后，根據(jù)判斷得到的各相電流極性判斷結(jié)果對由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號，依據(jù)各相電流極性分別對各相的同一橋臂的上、下兩只功率開關(guān)器件的SVPWM驅(qū)動脈沖信號添加死區(qū)時間T_d，即進(jìn)行所謂的死區(qū)時間補(bǔ)償。

以A相為例，具體的實(shí)施流程如圖4所示。由圖5可見，當(dāng)A相電流大于零以及由大于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器的輸出波形只與A相上橋臂的觸發(fā)脈沖有關(guān)，所以對A相下橋臂的觸發(fā)脈沖提前T_d關(guān)斷，延時T_d開通。當(dāng)A相電流小于零以及由小于零變?yōu)榈扔诹銜r，逆變器的輸出波形只與A相下橋臂的觸發(fā)脈沖有關(guān)，所以對A相上橋臂的觸發(fā)脈沖延遲T_d開通，并且提前T_d關(guān)斷。因此，當(dāng)A相電流大于零以及由大于零變?yōu)榈扔诹銜r，可以保持上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動信號仍然與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號保持一致，即上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻仍然與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致，而僅針對下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號進(jìn)行修正加入死區(qū)時間T_d，即下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通；當(dāng)A相電流小于零以及由小于零變?yōu)榈扔诹銜r，可以保持下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動信號仍然與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號保持一致，即下橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻仍然與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻保持一致；而僅針對上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號進(jìn)行修正加入死區(qū)時間，即上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號提前一段死區(qū)時間T_d關(guān)斷，并且上橋臂功率開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號比由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的驅(qū)動脈沖信號延遲一段死區(qū)時間T_d導(dǎo)通。這樣就可實(shí)現(xiàn)逆變器A相輸出的實(shí)際電壓與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的理想的A相輸出電壓一致，永磁同步電動機(jī)A相電流的畸變得到有效改善。

同理，對B相和C相采用上述同樣方式進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)逆變器B相和C相輸出的實(shí)際電壓與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的理想的B相和C相輸出電壓一致，永磁同步電動機(jī)B相和C相電流的畸變得到有效改善。

本發(fā)明方法可以對永磁同步電動機(jī)三相電流波形進(jìn)行實(shí)時跟蹤，并且可以做到零相移。算法簡單，魯棒性強(qiáng)，無需額外的硬件設(shè)備，適合不同轉(zhuǎn)速下的永磁同步電動機(jī)電流極性的判斷，依據(jù)電流極性判斷結(jié)果分別對各相的同一橋臂的上、下兩只功率開關(guān)器件的SVPWM驅(qū)動脈沖信號添加死區(qū)時間T_d，這樣就可實(shí)現(xiàn)逆變器三相輸出的實(shí)際電壓與由傳統(tǒng)SVPWM技術(shù)得到的未加死區(qū)時的理想的三相輸出電壓一致，永磁同步電動機(jī)三相電流的畸變得到有效改善。也就實(shí)現(xiàn)了所謂的“死區(qū)補(bǔ)償”。

本發(fā)明提出的基于永磁同步電動機(jī)電流極性判斷的逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法同樣適用于多相永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。