一种逆变器的非线性补偿装置、系统及控制方法与流程

本发明属于机电
技术领域：
，更具体地，涉及一种逆变器的非线性补偿装置、系统及控制方法。
背景技术：
：电压源型逆变器广泛用于各种控制领域。为了防止上下两个开关管直接导通而导致的短路问题，需要在上下两个开关器件动作之间加入死区时间，防止两个开关管同时开通。但是死区时间的加入，会导致逆变器输出的电压存在畸变，输出电压与指令电压存在偏差，这一现象称为死区。此外，由于开关管在接收到开关信号直到开关动作这一过程中会产生延迟，使得实际产生的电压与指令电压也存在偏差。这一现象与死区效应并称为逆变器非线性。逆变器的非线性导致的输出电压与指令电压之间的偏差会使得三相电流产生5次和7次谐波，零电流钳位现象，产生转矩脉动和恶化系统控制性能。因此，对逆变器的非线性进行补偿，有着十分重要的意义。为解决上述问题，常用的方法是通过离线测量补偿或者检测电流过零点开环补偿的方法。离线测量补偿的方法，需要预先根据逆变器输出的电流，生成对应的补偿电压值；当逆变器在运行时，实时检测输出电流，根据输出电流来查找对应的电压补偿值。这种方法需要提前测量出对应的补偿电压，实施麻烦，不易于推广。检测电流过零点开环补偿的方法的动态性能较差，无法实时对逆变器的非线性进行闭环控制。而且需要检测电流的过零点，实施效果不佳。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种逆变器的非线性补偿装置、系统及其方法，其目的在于逆变器的非线性补偿装置由于无法实现闭环控制而导致补偿动态效果差的技术问题。作为本发明的一方面，本发明提供一种逆变器的非线性补偿装置，包括：补偿后畸变电压获取模块，用于从上一次补偿后电压指令的d轴分量中提取上一次补偿后畸变电压的d轴分量，并根据上一次补偿后畸变电压的d轴分量和电压波动数据获得上一次补偿后畸变电压的q轴分量；未补偿畸变系数获取模块，用于从速度环输出的当前未补偿电压指令中的d轴分量中提取当前未补偿畸变电压的d轴分量，根据当前补偿畸变电压的d轴分量和电压波动数据的d轴分量获得当前未补偿畸变系数；反馈调节系数获取模块，其输入端与所未补偿畸变系数获取模块的输出端连接，用于比较当前未补偿畸变系数和未补偿畸变系数阈值范围输出比较结果，并根据比较结果和上一次反馈调节系数确定当前反馈调节系数；补偿电压获取模块，其第一输入端与反馈调节系数获取模块输出端连接，其第二输入端与补偿后畸变电压获取模块输出端连接，用于根据上一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得当前补偿电压；补偿环，其输入端与补偿电压获取模块的输出端连接，用于对电流环输出的当前未补偿电压指令和当前补偿电压进行叠加处理，输出当前补偿后电压指令；当前补偿后电压指令经过pwm调制后控制逆变器，使逆变器输出电压不存在畸变。优选地，补偿后畸变电压获取模块(61)对上一次补偿后电压指令的d轴分量进行滤波处理获得频率超过基频频率1/2的高频分量，将高频分量中6次谐波分量作为上一次补偿后畸变电压的d轴分量；并根据上一次补偿后畸变电压的d轴分量和电压波动数据的d轴分量获得上一次补偿后畸变系数；根据上一次补偿后畸变系数和电压波动数据的q轴分量获得所述上一次补偿后畸变电压的q轴分量。优选地，补偿环用于对电流环输出的当前未补偿电压指令的d轴分量和当前补偿电压的d轴分量进行叠加处理输出当前补偿后电压指令的d轴分量；并对电流环输出的当前未补偿电压指令的q轴分量和当前补偿电压的q轴分量进行叠加处理输出当前补偿后电压指令的q轴分量；将当前补偿后电压指令的d轴分量和当前补偿后电压指令的q轴分量作为当前补偿后电压指令输出。作为本发明的一方面，一种非线性补偿系统，包括：电流获取模块，用于获取实测定子电流；角度和转速获取模块，用于获取在逆变器驱动下电机的转子角度；并根据电机的转子角度获得电机的转子转速；速度环，其输入端与角度和转速获取模块的输出端连接，用于对转子转速和转速指令进行pi控制输出电流指令的q轴分量；第一矢量转化模块，其输入端与电流获取模块输出端连接，用于将三相电流转化为dq轴坐标下电流输出；电流环，其第一输入端与速度环的输出端连接，其第二输入端与第一矢量转化模块的输出端连接，用于对电流指令的q轴分量、电流指令的d轴分量、实测电流的q轴分量以及实测电流的d轴分量进行pi控制输出未补偿电压指令；第二矢量转化模块，用于将当前补偿电压指令进行矢量转化输出静止αβ坐标系下当前补偿电压指令；pwm信号产生模块，其输入端与第二矢量转化模块输出端连接，用于将静止αβ坐标系下当前补偿电压指令进行pwm调制输出pwm信号；pwm信号用于控制逆变器的输出电压；还包括：其输入端与电流环的输出端连接，其输出端与所述第二矢量转化模块输入端连接，且用于输出当前补偿后电压指令的非线性补偿装置；所述非线性补偿装置为权利要求1-3任一项所述的非线性补偿装置。作为本发明的一方面，一种基于非线性补偿装置的补偿方法，包括如下步骤：s1根据第r次补偿后电压指令的d轴分量获得第r次补偿后畸变电压的d轴分量；根据第r次补偿后畸变电压的d轴分量和电压波形数据的d轴分量获得第r次补偿后畸变系数；根据第r次补偿后畸变系数和电压波形数据的q轴分量获得第r次补偿后畸变电压的q轴分量；s2根据第r次实测定子电流、第r次转子位置、第r转子转速以及转速指令进行矢量控制获得第r+1次未补偿电压指令；根据第r+1次未补偿电压指令的d轴分量进行滤波处理获得第r+1次未补偿畸变电压的d轴分量；根据第r+1次未补偿畸变电压的d轴分量和电压波形数据获得第r+1次未补偿畸变系数；s3判断第r+1次未补偿畸变系数是否超过未补偿畸变系数阈值范围，若是，对第r反馈调节系数进行调整获得第r+1次反馈调节系数，否则，令第r次反馈调节系数为第r+1次反馈调节系数；s4根据第r次补偿后畸变电压的d轴分量、第r次补偿后畸变电压的q轴分量和第r+1次反馈调节系数获得第r+1次补偿电压；对第r+1次补偿电压和第r+1次未补偿电压指令进行叠加处理获得第r+1次补偿后电压指令，令r＝r+1，并进入步骤s1；其中，r＞0，r为补偿秩序。优选地，步骤s3中根据公式获得第r+1次反馈调节系数σ(r+1)；其中，σ(r)为第r次反馈调节系数，λ为调整量，v′deadr+1为第r+1次未补偿畸变系数，vthr为未补偿畸变系数阈值范围上限值，-vthr为未补偿畸变系数阈值范围下限值。优选地，步骤s1根据公式vqr＝vdeadrdq获得第r次补偿后畸变电压的q轴分量；其中，vdeadr为第r次补偿后畸变系数，vdr为第r次补偿后畸变电压的d轴分量；dd为电压波形数据的d轴分量，，dq为电压波形数据的q轴分量；θ为电压的相角，ia为逆变器输出的a相电流，ib为逆变器输出的b相电流，ic为逆变器输出的c相电流，dd'为限幅阈值。优选地，步骤s4根据公式获得第r+1次补偿后电压的d轴分量，根据获得第r+1次补偿后电压的q轴分量。优选地，步骤s1中根据第r次补偿后电压指令的d轴分量获得第r次补偿后畸变电压的d轴分量具体为：对第r次补偿后电压指令的d轴分量进行滤波处理获得频率超过逆变器输出相电流频率1/2的高频分量，将高频分量中6次谐波分量作为第r次补偿后畸变电压d轴分量。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本发明提供的非线性补偿装置中，采用补偿电压获取模块获得当前补偿电压，当前补偿电压根据前一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得，当前反馈调节系数根据当前未补偿畸变电压系数和未补偿畸变系数阈值范围的比较结果进行调整，当前未补偿畸变电压系数能够反映补偿效果，实现对补偿后畸变电压的反馈控制，当补偿后电压指令用于控制逆变器时，能够提高逆变器动态输出稳定性，且逆变器输出电压与电压指令值误差更小。2、本发明提供的非线性补偿系统中，非线性补偿装置6输出的补偿电压当前补偿电压根据前一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得，当前反馈调节系数根据当前未补偿畸变电压系数和未补偿畸变系数阈值的比较结果进行调整，即实时对畸变电压反馈，实现补偿电压的反馈控制，当前补偿后电压指令经过矢量转化和pwm调制转化为pwm信号，pwm信号用于控制逆变器，使得经过pwm信号控制的逆变器输出电压与电压指令值误差更小。3、本发明提供的非线性补偿方法中，补偿电压根据反馈调节系数和补偿后畸变电压获得，反馈调节系数根据未补偿畸变系数大小进行调整，未补偿畸变系数能够体现逆变器实际输出电压和电压指令值之间的差值，使逆变器输出电压与电压指令值误差更小，并提高逆变器非线性补偿动态性能。4、通过在电压指令值中注入电压的畸变量，从而抵消逆变器的非线性效果，实现逆变器的非线性补偿；不需要进行离线参数测量，可以对逆变器的非线性进行在线补偿，增强了本发明的实用性，且本发明的原理简单，容易实施而且效果明显。附图说明图1为本发明提供的逆变器的非线性补偿系统的结构示意图；图2为本发明提供的逆变器的非线性补偿方法中获取补偿后畸变电压系数vdead的原理图；图3为本发明提供的逆变器的非线性补偿方法中反馈调节系数的调节步骤流程图；图4为采用本发明提供的非线性补偿方法前后电机运行时电气端电压和电流波形。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本发明提供的逆变器的非线性补偿装置包括补偿后畸变电压获取模块61、未补偿畸变系数获取模块62、反馈调节系数获取模块63、补偿电压获取模块64以及补偿环65，反馈调节系数获取模块63输入端与未补偿畸变系数获取模块62的输出端连接，补偿电压获取模块64第一输入端与反馈调节系数获取模块63输出端连接，补偿电压获取模块64第二输入端与补偿后畸变电压获取模块61输出端连接，补偿环65输入端与补偿电压获取模块64的输出端连接。补偿后畸变电压获取模块61从对上一次补偿后电压指令的d轴分量进行滤波处理获得频率超过逆变器输出相电流频率1/2的高频分量，将高频分量中6次谐波分量作为上一次补偿后畸变电压的d轴分量，并根据上一次补偿后畸变电压的d轴分量和电压波动数据的d轴分量获得上一次补偿后畸变系数，根据上一次补偿后畸变系数和电压波动数据的q轴分量获得上一次补偿后畸变电压的q轴分量。未补偿畸变系数获取模块62从速度环输出的当前未补偿电压指令中的d轴分量提取当前未补偿畸变电压d轴分量，根据当前补偿畸变电压的d轴分量和电压波动数据的d轴分量获得当前未补偿畸变系数。反馈调节系数获取模块63对未补偿畸变系数获取模块62输出当前未补偿畸变系数和未补偿畸变系数阈值范围进行比较并输出比较结果，并根据比较结果和上一次反馈调节系数确定当前反馈调节系数。具体为：若当前未补偿畸变系数超出未补偿畸变系数阈值范围，则对上一次反馈调节系数进行调整，调整量大小根据超出量确定，将上一次反馈调节系数调节后的数值作为当前反馈调节系数，若当前未补偿畸变系数未超出未补偿畸变系数阈值范围，将上一次的反馈调节系数作为当前反馈调节系数。补偿电压获取模块64根据上一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得当前补偿电压；补偿环65对电流环输出的当前未补偿电压指令的d轴分量和当前补偿电压的d轴分量进行叠加处理输出当前补偿后电压指令的d轴分量；并对电流环输出的当前未补偿电压指令的q轴分量和当前补偿电压的q轴分量进行叠加处理输出当前补偿后电压指令的q轴分量；将当前补偿后电压指令的d轴分量和当前补偿后电压指令的q轴分量作为当前补偿后电压指令输出。当前补偿后电压指令经过pwm调制后控制逆变器，使逆变器输出电压不存在畸变。本发明提供的非线性补偿装置中，采用补偿电压获取模块获得当前补偿电压，当前补偿电压根据前一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得，当前反馈调节系数根据当前未补偿畸变电压系数和未补偿畸变系数阈值的比较结果进行调整，实现补偿电压的反馈控制，能够提高补偿的动态性能。图1为本发明提供的逆变器的非线性补偿系统的结构示意图，该非线性补偿系统，包括电流获取模块1，角度和转速获取模块2，第一矢量转化模块3，速度环4，电流环5，非线性补偿装置6，第二矢量转化模块7，pwm信号产生模块8。电流获取模块1获取实测定子电流，逆变器与电机定子绕组连接，即为逆变器输出实测电流。电流获取模块1的输出端与第一矢量转化模块3的输入端连接，第一矢量转化模块3将三相电流转化为dq轴坐标下电流输出，角度和转速获取模块2获取在逆变器驱动下电机转子角度，并根据电机转速角度获得电机转速。速度环4输入端与角度和转速获取模块2的输出端连接，速度环4对由角度和转速获取模块2输出转子转速和接收到外部转速指令进行pi控制输出电流指令q轴分量；电流环5第一输入端与速度环4的输出端连接，电流环5第二输入端与第一矢量转化模块3的输出端连接，电流环5对电流指令的q轴分量、外部接收到的电流指令的d轴分量、由第一矢量转化模块3输出的实测电流的q轴分量以及由第一矢量转化模块3输出的实测电流的d轴分量进行pi控制输出未补偿电压指令，此时，外部接收到的电流指令的d轴分量为零。非线性补偿装置输入端与电流环的输出端连接，用于输出当前补偿后电压指令。第二矢量转化模块8输入端与非线性补偿装置6的输出端连接，用于将当前补偿电压指令进行矢量转化为静止αβ坐标系下当前补偿电压指令输出，pwm信号产生模块9输入端与第二矢量转化模块输出端连接，用于将静止αβ坐标系下当前补偿电压指令进行pwm调制输出pwm信号；pwm信号用于控制逆变器的输出电压。本发明提供的非线性补偿系统中，非线性补偿装置6输出的补偿电压当前补偿电压根据前一次补偿后畸变电压和当前反馈调节系数获得，当前反馈调节系数根据当前未补偿畸变电压系数和未补偿畸变系数阈值的比较结果进行调整，即实时对畸变电压反馈，实现补偿电压的反馈控制，当前补偿后电压指令经过矢量转化和pwm调制转化为pwm信号，pwm信号用于控制逆变器，使得经过pwm信号控制的逆变器输出电压与电压指令值误差更小。本发明提供的逆变器的非线性补偿方法，包括如下步骤：s1根据第r次补偿后电压指令的d轴分量获得第r次补偿后畸变电压的d轴分量；根据第r次补偿后畸变电压的d轴分量和电压波形数据的d轴分量获得第r次补偿后畸变系数；根据第r次补偿后畸变系数和电压波形数据的q轴分量获得第r次补偿后畸变电压的q轴分量；s2根据第r次实测定子电流、第r次转子位置、第r次转子转速以及转速指令进行矢量控制获得第r+1次未补偿电压指令；根据第r+1次未补偿电压指令的d轴分量进行滤波处理获得第r+1次未补偿畸变电压的d轴分量；根据第r+1次未补偿畸变电压d轴分量和电压波形数据获得第r+1次未补偿畸变系数；s3判断第r+1次未补偿畸变系数是否超过未补偿畸变系数阈值范围，若是，对第r次反馈调节系数进行调整获得第r+1次反馈调节系数，否则，令第r次反馈调节系数为第r+1次反馈调节系数；s4根据第r次补偿后畸变电压d轴分量、第r次补偿后畸变电压q轴分量和第r+1次反馈调节系数获得第r+1次补偿电压；对第r+1次补偿电压和第r+1次未补偿电压指令进行叠加处理获得第r+1次补偿后电压指令，令r＝r+1，并进入步骤s1；其中，r＞0，第1次补偿后电压指令为第1次未补偿电压指令，第1次未补偿电压指令根据初始转子绕组电流、初始转子位置、初始转子转速以及转速指令的d轴分量获得，初始转子绕组电流、初始转子位置、初始转子转速以及转速指令的d轴分量均为零。本发明提供的非线性补偿方法中，补偿电压根据反馈调节系数和补偿后畸变电压获得，反馈调节系数根据未补偿畸变系数大小进行调整，未补偿畸变系数根据上一次补偿结果进行调整，使逆变器的输出电压快速跟未补偿后电压指令值相同，提高补偿动态性能。图2为本发明提供的逆变器的非线性补偿方法实施例中获取补偿后畸变电压系数vdead的原理图，图3为本发明提供的逆变器的非线性补偿方法实施例中反馈调节系数的调节步骤流程图；该非线性补偿方法实施例包括如下步骤：s1利用高通滤波器从第r次补偿后电压指令的d轴分量提取6次谐波分量，将6次谐波分量作为第r次补偿后畸变电压。高通滤波器的截止频率选取相电流基波频率的1/2即可，第r次补偿后电压指令的d轴分量为输入到空间脉宽调制模块的d轴电压指令值。计算出第r次补偿后畸变电压系数vdeadr，公式如下：其中，为第r次补偿后畸变电压，dd为电压波形数据的d轴分量，dd根据如下公式获得：θ为电压的相角，此处由于采用id＝0的控制方式，可以认为θ是电机转子的角度；ia，ib，ic为逆变器输出的三相电流测量值，dd'为限幅阈值，dd′取值范围为0.01～0.5，用于防止当dd出现过零点后使第r次补偿后畸变电压系数vdeadr溢出。将vdeadr经过低通滤波器，使其抖动减少，低通滤波器的截止频率可以取值较低以获得稳定的电压畸变系数，一般截止频率选取2hz。根据公式vqr＝vdeadrdq获得第r次补偿后畸变电压的q轴分量；其中，dq为电压波形数据的q轴分量，根据如下公式获得：s2根据第r次转子绕组电流、第r次转子位置、第r转子转速以及转速指令进行矢量控制获得第r+1次未补偿电压指令，第r+1次未补偿电压指令为电流环输出指令值。从第r+1次未补偿电压指令的d轴分量进行滤波处理提取6次谐波分量将6次谐波分量作为第r+1次未补偿畸变电压d轴分量根据公式获得第r+1次未补偿畸变系数将经过低通滤波器，使其抖动减少，低通滤波器的截止频率可以取值较低以获得稳定的电压畸变系数，一般截止频率选取2hz。s3获得第r+1次反馈调节系数，公式如下：其中，σ(r)为第r次反馈调节系数，第一次反馈调节系数为零，λ为调整量，λ一般取0.001～0.01，vthr为未补偿畸变系数阈值范围上限值，-vthr为未补偿畸变系数阈值范围下限值，vthr一般取0.01v～0.1v。s4根据公式获得第r+1次补偿后电压指令的d轴分量，根据获得第r+1次补偿后电压指令的q轴分量。对第r+1次补偿电压和第r+1次未补偿电压指令进行叠加处理获得第r+1补偿后电压指令，令r＝r+1，并进入步骤s1；其中，r＞0，第1次补偿后电压指令为第1次未补偿电压指令，第1次未补偿电压指令根据初始转子绕组电流、初始转子位置、初始转子转速、电流指令的d轴分量以及转速指令获得，初始转子绕组电流、初始转子位置、初始转子转速以及电流指令的d轴分量均为零。本发明提供的非线性补偿方法，根据未补偿畸变电压判断非线性补偿是否满足要求，若未补偿畸变电压在补偿要求范围内，则不更新反馈调节系数，若不在补偿要求范围内，则更新反馈调节系数，且为补偿畸变电压越大，则调节系数越大，实现非线性补偿的反馈调节，使得补偿后的逆变器输出电压与指令值更接近。本实施例以一个1kw的表贴式永磁同步电机进行逆变器的非线性补偿实验，电机及其控制器的主要参数如表1所示。参数测量值参数测量值定子电阻(ω)0.273永磁体磁链(wb)0.1246定子电感(mh)2.3额定电流(a)10极对数5额定电压(v)220转速(rpm)1500额定转矩(nm)9.6死区时间(us)2图4为采用本发明提供的非线性补偿方法前后后电机运行时电气端电压和电流波形，在0.25s时对逆变器进行非线性补偿。从图中可以看出，dq轴上的电压、电流波形中的6次谐波分量基本上消失，相电流中的零电流钳位现象有所减弱。由此可见，使用本发明提出的逆变器非线性补偿方法可以很好地在线补偿逆变器的非线性。与离线测量补偿法相比，本发明采用的方法不需要离线测量大量的参数，可以在线运行，适应性强，易于推广。与检测电流过零点开环补偿的方法相比，本发明采用的方法可以在线监测电压的畸变量，动态效果好。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12