一种电机控制器死区辨识与补偿方法与流程

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种电机控制器死区辨识与补偿方法。

背景技术：

电机控制器使用pwm方式输出电压控制电机电流，为了避免上、下桥臂开关管直通，常常加入死区。然而死区对于输出电压造成谐波畸变，进而影响电流波形与转矩脉动。业界对于死区效应的补偿已有常规方法，具体特点如下：

首先，补偿值为一预先设定的固定值，依据加入的死区时间、所选用开关管的导通与关断延时确定补偿量大小。没有考虑不同igbt的个体差异，也没有考虑不同驱动电阻下驱动电路的延迟时间；

其次，只针对死区时间进行补偿，没有考虑到igbt与续流二极管的导通压降对输出电压和电流波形也有非线性影响；

最后，依据三相电流的大小及方向，确定补偿值的大小与符号，该步骤在控制异步电机时能可靠工作，在控制永磁电机时往往在弱载运行时因电流方向判断失误而失效，即传统方法不能兼容永磁电机控制器的实施。

技术实现要素：

本发明针对现有技术所存在的若干问题，提出了一种电机控制器死区辨识与补偿方法，该方法作为变流器电流控制的核心，能兼容永磁电机控制器的实施，提高控制器输出电压的正弦度、减小电流谐波畸变、减小转矩脉动。

本发明能够精确地辨识出包含igbt导通与关断过程在内的等效死区时间；本发明能够精确地辨识出igbt与续流二极管导通压降中的直流初值部分，同时能辨识出包含变流器与定子线圈在内的线路等效电阻，且该阻值的辨识不受死区影响。本发明提出基于辨识结果的死区效应补偿方法，该方法能针对电机控制器所有非线性环节进行补偿，最后本发明针对永磁电机轻载时提出特殊处理方案，使之能可靠实施与永磁电机控制器上。

本发明无需预先知道死区时间、开关管的导通与关断特性，通过下列技术方案实现死区的辨识与补偿，具体步骤如下：

步骤1：设定第一电流目标值i1，缓慢施加输出电压直至相电流到达目标值，记录施加线电压的平均值为uab1；

步骤2：设定第二电流目标值i2，缓慢施加输出电压直至相电流到达目标值，记录施加线电压的平均值为uab2；

步骤3：设定第三电流目标值i3，缓慢施加输出电压直至相电流到达目标值，记录施加线电压的平均值为uab3；

步骤4：设定第四电流目标值i4，缓慢施加输出电压直至相电流到达目标值，记录施加线电压的平均值为uab4；

步骤5：依据步骤1至步骤4的数据辨识出一系列死区效应的相关参数，包括：等效死区时间dδ、二极管导通压降初值vd0、igbt导通压降初值vt0、等效线路电阻rσ；

步骤6：如果为永磁电机控制器，在其运行时，依据不同负载区域施加不同激励电流；

步骤7：在dq坐标系下对采样电流idq进行滤波处理，得到idqlpf；

步骤8：对滤波后的电流idqlpf进行坐标变换得到三相电流的重构值iabcest；

步骤9：依据三相电流的重构值iabcest的大小及方向，结合辨识出的死区效应相关参数(dδ、vd0、vt0、r∑)，计算补偿值补偿输出；

本发明中使用的步骤1至步骤5为死区补偿的辨识过程，需要独立于电机控制器正常工作之外，属于电机控制器的自学习模式。该辨识过程无需电流闭环参与，使用试探法，缓慢增加输出电压直至输出电流达到设定值。通过四次直流试验可以辨识出死区效应的相关参数。

本发明中使用的步骤5中，可以辨识出一个不受死区效应影响的线路等效电阻r∑。它区别于已有的电机定子电阻辨识方法，已有方法使用辨识时加入死区补偿方法，本发明是在辨识死区的同时辨识出定子电阻，结果更加精确。

本发明中使用的步骤6是为了兼容永磁电机而做的特殊处理。在电机轻载时，永磁电机定子电流很小，传统的依据电流判定补偿方向的方法会失效。因此本步骤施加了一个依据电机负载不同而施加一个不同的激励电流，该电流有助于补偿方向的判定。

本发明中使用的步骤7至步骤9为死区补偿的实施过程，与以往方法相似的是利用电流方向判定补偿方向，不同的是引入了由于电流大小不同而补偿igbt导通压降和续流二极管导通压降，同时补偿了线路等效电阻压降。

附图说明

图1加入死区时的pwm输出示意图；

图2直流试验电路图；

图3死区参数辨识过程示意图；

图4死区参数辨识程序流程图；

图5死区补偿值计算框图；

图6永磁电机控制器激励电流给定示意图；

图7死区补偿方法控制框图；

图8死区补偿程序流程图。

具体实施方式

下面是本发明的具体实施实例，将结合附图对本发明的技术方案做详细描述，但本发明并不局限于下列实例方式。

图1为加入死区时的pwm输出示意图，该示意图综合地考虑了影响输出电压畸变的一切因素，具体包括：设置的死区时间td、igbt的导通时间ton、igbt的关断时间toff、igbt导通压降vt、续流二极管导通压降vd、母线电压为udc等等。假设给定占空比为dref，开关周期为tpwm，每个桥臂上管开通时间为t∑，给定输出电压为uref。

考虑电流大于零的情况，即电流从电机控制器流向电机。在给定目标占空比下dref，实际输出的占空比为：

不妨设为设置死区时间、igbt的导通与关断时间所带来死区效应对占空比的等效影响，进而有：dreal＝dref-dδ。

当绕组被箝位到上桥臂时，电流经过igbt，所以输出电压降低了一个igbt的导通压降；当绕组被箝位到下桥臂时，电流经过二极管续流，输出电压降低了一个二极管的导通压降，考虑母线电压的波动，最终输出电压为：

ureal＝uref-udcdδ+(vd-vt)(dref-dδ)-vd

考虑电流小于零的情况，即电流从电机流向电机控制器。实际输出的占空比为：

dreal＝dref+dδ

当绕组被箝位到上桥臂时，电流经过igbt，所以输出电压增加了一个二极管的导通压降；当绕组被箝位到下桥臂时，电流经过二极管续流，输出电压增加了一个igbt的导通压降，考虑母线电压的波动，最终输出电压为：

ureal＝uref+udcdδ+(vd-vt)(dref+dδ)+vt

图2为本发明实例中采用的直流试验电路图，先假设a相通入大于零的直流电压uref，b、c两相通入对称的小于零的直流电压-0.5uref。设a相占空比为dref，则b、c两相占空比为0.75-0.5dref。此时a相电流为正，bc两相电流为负，线电压实际输出值为：

uab＝1.5uref-2udcdδ+vd(1.5dref-1.75-2dδ)+vt(-1.5dref-0.25+2dδ)

不妨设kd＝-(1.5dref-1.75-2dδ)、kt＝-(-1.5dref-0.25+2dδ)为管压降的等效系数。在直流试验电路中，dref略大于0.5，因此kd与kt的数值都在1附近。由于管压降的等效系数中dδ所占比例很小，可以暂时由预设值计算得到。

由igbt的导通压降曲线，有vt＝vto+rt|i|，由续流二极管的导通压降曲线，有vd＝vd0+rd|i|。则实际输出线电压为：

uab＝1.5uref-2udcdδ-kdvd0-ktvt0-(kdrd+kt0.5rt)|i|

在实际应用中，igbt与续流二极管的导通压降曲线基本相近，不妨设一个等效电阻则实际输出线电压为：

uab＝1.5uref-2udcdδ-kdvd0-ktvt0-1.5rdt|i|

当输入直流电压产生直流电流时，具体有如下表达式：

2udcdδ+kdvd0+ktvt0+(1.5rs+1.5rdt)|i|＝1.5uref

引入等效线电阻r∑＝1.5(rs+rdt)，虽然该电阻包含了管压降的部分信息，但是并不影响输出电流的正限度。

图3为死区效应相关参数辨识过程的示意图。采用四次直流试验，每次输出电流目标值不同。不妨设四次试验过程中的目标电流依次为i、2i、3i、4i。依次得到三个给定输出线电压平均值uab1、uab2、uab3、uab4。

进而可以得到含有四个未知数的方程组：

解方程组可以将死区效应所有相关参数(dδ、vd0、vt0、r∑)辨识出来，图4为死区效应相关参数辨识程序流程图。

图5为死区补偿值计算框图。在进行完四次直流试验辨识出死区效应相关参数后，可以计算出死区补偿值，该值将用于每个pwm周期的死区补偿。由前面分析可知，在死区影响下，实际输出的占空比与设定占空比不同、实际输出的电压与设定电压也不同。因此补偿可以在给定电压处补偿，也可以在给定占空比处补偿，为了更加直观，本实施方案采用在电压处补偿。

由于管压降中能等效电阻的部分压降并不影响输出电压与电流的波形，只影响其幅值，因此可以将其与定子电阻一起补偿。

当电流大于零时，应在原给定电压的基础上补偿一个电压值：

uc＝udcdδ+vd0(1-dref+dδ)+vt0(dref-dδ)+r∑i

当电流小于零时，应在原给定电压的基础上补偿一个电压值：

uc＝-udcdδ-vt0(1-dref-dδ)-vt0(dref+dδ)-r∑i

对于等效电阻压降的补偿可以提高输出电压的幅值精度，但对于输出电流正弦度并没有帮助，因此在开环调速系统中可以省略，在矢量控制中推荐采用。

图6为永磁电机控制器激励电流给定示意图。本发明针对永磁电机低速轻载时，传统补偿方法在判定电流方向时容易失效的缺点，专门为永磁电机控制器设计一个激励电流给定装置。依据不同负载情况在d轴去磁方向上增加一个激励电流给定，用于可靠判定电流方向。考察q轴电流给定的绝对值，当其小于电流方向可靠辨识的最小值时，激励电流施加在d轴弱磁方向上，给定为一个常数。随着负载逐步加大，激励电流给定逐步减小，直至为零。对于异步电机无该环节。

图7为死区补偿方法控制框图，首先将定子电流通过坐标变换至dq轴下，再对dq轴反馈电流进行滤波，最后对滤波后的电流反变换到abc坐标系下，这一电流作为重构电流。依据重构电流的大小和方向，利用辨识出的死区效应相关参数，计算补偿电压，该电压补偿在pwm电压最终输出上。图8给出了死区补偿程序流程图。