基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法

摘要

本发明展示了基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，包括以下步骤：1.判断三相逆变器中驱动桥臂的电流方向；2.在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整，得到死区效应补偿后的开关信号，驱动桥臂导通或关断。本发明能够防止电流和电压波形畸变，从而大大降低频率为电流基频6倍的扭矩谐波。本发明实现快速有效的死区效应补偿，为配置较低的伺服驱动系统死区补偿提供可能，扩大了方法的应用范围。特别适合基于电力电子技术和数字控制技术相结合的数控机床伺服驱动等精密控制系统中逆变器的死区补偿。

权利要求

1.基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，判断三相逆变器中驱动桥臂的电流方向；

步骤2，通过步骤1中所得电流方向的不同状态，在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整，得到死区效应补偿后的开关信号，驱动桥臂导通或关断；

步骤2中，以电流流出三相逆变器方向为正方向，在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整如下，

1)当电流大于0时，对应三角波下降沿，上桥臂滞后关断，下桥臂滞后导通；对应三角波上升沿，上桥臂提前导通，下桥臂提前关断；补偿后总脉冲宽度比原脉冲宽度减小；

2)当电流小于0时，对应三角波下降沿，上桥臂提前关断，下桥臂提前导通；对应三角波上升沿，上桥臂滞后导通，下桥臂滞后关断；补偿后总脉冲宽度比原脉冲宽度增加。

2.根据权利要求1所述的基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，其特征在于，步骤2中，以电流流出三相逆变器方向为正方向，总脉冲宽度为PwmU，死区时间为Td，死区时间对应的脉冲宽度为Detalpulse，死区补偿时间为Td/2，死区补偿时间对应的脉冲宽度为Detalpulse/2；在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整如下，

1)当电流大于0时，对应三角波下降沿，上桥臂滞后Td/2关断，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂提前Td/2导通，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2关断；补偿后总脉冲宽度为PwmU-Detalpulse；

2)当电流小于0时，对应三角波下降沿，上桥臂提前Td/2关断，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂滞后Td/2导通，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2关断；补偿后总脉冲宽度为PwmU+Detalpulse。

说明书

基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及死区补偿算法领域，具体为基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法。

背景技术

[0002] 功率器件存在开关延时，若同一桥臂一个器件需要关断而未关断，与之互补的器件导通，会造成直通，损坏器件。为防止逆变器直通，需要在逆变器桥臂导通切换之间设置死区时间。死区时间的设置，引入了低次谐波成分，使输出电压/电流波形畸变。由数学推导可得，死区效应造成的谐波主要集中在5次和7次谐波。死区时间占开关周期的比例会影响畸变程度。

[0003] 目前死区补偿方法有时间调整法和平均误差电压补偿法。平均误差电压补偿法着眼于输出理想的电压，对一个三角波周期对应的调制波进行整体调整，但会造成输出波形延时。时间调整法着眼于输出的有效脉冲宽度，调整桥臂开关通断时间，此方法不会造成输出延时，但系统运算负担较大，对伺服驱动配置要求较高。

发明内容

[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，能够对死区效应进行实时准确补偿，不仅能够有效地降低5次和7次谐波，防止电压和电流波形畸变，而且大大降低了原有算法的复杂程度，减少了系统的运算负担，增加了对于配置较低的伺服驱动系统的普适性。

[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：

[0006] 基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，判断三相逆变器中驱动桥臂的电流方向；

[0008] 步骤2，通过步骤1中所得电流方向的不同状态，在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整，得到死区效应补偿后的开关信号，驱动桥臂导通或关断。

[0009] 优选的，步骤2中，以电流流出三相逆变器方向为正方向，在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整如下，

[0010] 1)当电流大于0时，对应三角波下降沿，上桥臂滞后关断，下桥臂滞后导通；对应三角波上升沿，上桥臂提前导通，下桥臂提前关断；补偿后总脉冲宽度比原脉冲宽度减小；

[0011] 2)当电流小于0时，对应三角波下降沿，上桥臂提前关断，下桥臂提前导通；对应三角波上升沿，上桥臂滞后导通，下桥臂滞后关断；补偿后总脉冲宽度比原脉冲宽度增加。

[0012] 优选的，步骤2中，以电流流出三相逆变器方向为正方向，总脉冲宽度为PwmU，死区时间为Td，死区时间对应的脉冲宽度为Detalpulse，死区补偿时间为Td/2，死区补偿时间对应的脉冲宽度为Detalpulse/2；在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整如下，

[0013] 1)当电流大于0时，对应三角波下降沿，上桥臂滞后Td/2关断，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂提前Td/2导通，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2关断；补偿后总脉冲宽度为PwmU-Detalpulse；

[0014] 2)当电流小于0时，对应三角波下降沿，上桥臂提前Td/2关断，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂滞后Td/2导通，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2关断；补偿后总脉冲宽度为PwmU+Detalpulse。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0016] 本发明所述方法针对三相逆变器进行双边脉冲宽度调整，实现双边死区效应补偿，通过判断逆变器桥臂电流方向，在三角波的上升沿与下降沿分别对脉冲宽度进行相应调整，得到死区效应补偿后的开关信号。从而能够对死区效应进行快速准确补偿，能够有效地降低相电流的5次和7次谐波，防止电流和电压波形畸变，从而大大降低频率为电流基频6倍的扭矩谐波。本发明所述方法简单实用，不需要添加专门的硬件检测装置，不需要对逆变器桥臂开关的导通状态进行判断，降低了运算负担，弥补了传统脉冲调整补偿方法不足，实现快速有效的死区效应补偿，为配置较低的伺服驱动系统死区补偿提供可能，扩大了方法的应用范围。特别适合基于电力电子技术和数字控制技术相结合的数控机床伺服驱动等精密控制系统中逆变器的死区补偿。

附图说明

[0017] 图1是三相逆变器与电机连接的电路拓扑结构示意图。

[0018] 图2是本发明实例中所述，ia>0时，死区补偿前后输出电压示意图。

[0019] 图3是本发明实例中所述，ia<0时，死区补偿前后输出电压示意图。

[0020] 图4a是本发明实例中所述未进行死区补偿时电机输出电流。

[0021] 图4b是本发明实例中所述进行死区补偿时电机输出电流。

[0022] 图5a是本发明实例中所述未进行死区补偿时电机转矩图。

[0023] 图5b是本发明实例中所述进行死区补偿后电机转矩图。

[0024] 图6是本发明实例中所述死区补偿前后转矩频谱图。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0026] 如图1所示，基于脉宽调整的三相逆变器死区效应双边补偿方法，包括以下步骤：

[0027] 步骤1，判断三相逆变器中驱动桥臂的电流方向；

[0028] 步骤2，通过步骤1中所得电流方向的不同状态，在驱动桥臂的三角波的上升沿和下降沿分别对脉冲宽度进行相应的修正补偿调整：

[0029] 假设电流流出三相逆变器方向为正方向，总脉冲宽度为PwmU，死区时间为Td，死区时间对应的脉冲宽度为Detalpulse，死区补偿时间为Td/2，死区补偿时间对应的脉冲宽度为Detalpulse/2；

[0030] 1)当电流大于0时，对应三角波下降沿，上桥臂滞后Td/2关断，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂提前Td/2导通，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2关断。补偿后总脉冲宽度为PwmU-Detalpulse，具体如图2所示；

[0031] 2)当电流小于0时，对应三角波下降沿，上桥臂提前Td/2关断，下桥臂导通驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2导通；对应三角波上升沿，上桥臂滞后Td/2导通，下桥臂关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2关断。补偿后总脉冲宽度为PwmU+Detalpulse，具体如图3所示；

[0032] 3)根据步骤2)修正补偿，得到死区效应补偿后的开关信号，驱动桥臂导通或关断。

[0033] 本发明的原理及举例说明如下：

[0034] 一、三相逆变器死区效应产生原理及其影响。

[0035] 三相逆变器有三个桥臂，每个桥臂分为上下两桥臂，通过控制上下桥臂开关管的导通和关断，输出三相正弦交流电。

[0036] 逆变器上桥臂导通，下桥臂关断时，输出电压为Vdc/2；逆变器下桥臂导通，上桥臂关断时，输出电压为-Vdc/2。

[0037] 理想情况下，同一桥臂上一开关关断的同时另一开关到通过，但由于电气元件具有一定的延时，为避免上下桥臂同时导通而烧坏器件，在上下桥臂关断和导通切换时间加入了一段时间Td，为“死区时间”。

[0038] 以三相逆变器的桥臂为例，对死区效应和补偿原理进行分析，如图1所示。

[0039] 由图2，图3可得，死区时间Td的加入使逆变器输出电压产生畸变，具体表现为以下两种情况：

[0040] 1)电流大于零时，上下桥臂均关断的死区时间内，误差电压为负；

[0041] 2)电流小于零时，上下桥臂均关断的死区时间内，误差电压为正。

[0042] 死区时间的存在，产生周期性的电压误差，从而导致电流波形的畸变。

[0043] 二、死区效应对逆变器输出的影响分析。

[0044] 由图2，图3分析可得，死区效应导致实际输出电压与理想输出电压差值是一个时间长度为Td的脉冲误差电压。根据等时间电压面积法，以A相为例，产生的等效死区误差电压为：

[0045]

[0046] 其中，Td为死区时间，Ts为开关周期，Vdc为直流电压，ia为桥臂输出电流。

[0047] 将等效死区误差电压进行傅里叶级数分解，可得死区时间在三相静止坐标系下主要产生了6k±1次谐波。

[0048] 三、基于脉宽调整的死区双边补偿方法原理。

[0049] 基于脉宽调整的死区双边补偿方法原理如图2和图3所示；

[0050] 当电流大于零时，对应上桥臂滞后Td/2关断，提前Td/2导通，下桥臂导通关断驱动信号做相应调整，下桥臂滞后Td/2导通，提前Td/2关断，具体如图2所示；

[0051] 当电流小于零时，对应上桥臂提前Td/2关断，滞后Td/2导通，下桥臂导通关断驱动信号做相应调整，下桥臂提前Td/2导通，滞后Td/2关断，具体如图3所示；

[0052] 在电流大于零或小于零时，使用改进补偿方法后在一个载波周期内产生了正负宽度相等的误差电压，根据伏秒平衡原则，两部分误差将互相抵消，理论上可达到补偿效果。

[0053] 四、实验验证。

[0054] 在搭建的开放伺服实验平台进行死区双边补偿方法的实验验证。

[0055] 本试验台上位机采用了Sigmatek的CNC022模块和CNC031模块，发出伺服驱动器所需执行的速度指令。伺服驱动器的核心采用了三菱瑞萨单片(M16C262)，实现正弦脉冲宽度的调制，采用IM23400智能功率模块(IPM)，通过功率开关的通断实现逆变器输出电压的调整。两相霍尔电流传感器(ACS712-20)配以10位的AD转换器实现电流的检测与反馈。10位的磁性旋转编码器(AS5145)实现转子位置的检测与反馈。

[0056] 将脉宽调整死区补偿方法对应的算法导入到伺服驱动器中，设置死区时间4us，载波频率10kHz，以转速150r/min为代表验证方法的可行性。通过电流钳测试电流，扭矩传感器测试输出转矩。

[0057] 本发明实验结果如图4、5、6所示。其中，图4a为未进行死区补偿时电机输出电流，图4b为进行死区补偿后电机输出电流；图5a为未进行死区补偿时电机转矩，图5b为进行死区补偿后电机转矩。图6为死区补偿前后电机转矩频谱分析图。

[0058] 图4a和图4b说明死区效应会造成电机输出电流畸变，同时会造成电流箝位；进行双边补偿后能有效改善输出电流波形，同时消除电流箝位效应。图5a和图5b说明死区效应会造成电机输出转矩波动加大，进行双边补偿后能有效改善转矩波形，增加输出转矩稳定性。图6说明死区双边补偿能极大地降低输出转矩6次谐波，提高电机输出稳定性。