感应电机控制系统的方波畸变补偿装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及感应电机控制系统技术领域，详细讲是一种对边沿斜率畸变引起 的难以量化的误差电压进行补偿，改善了滤波后相位滞后现象，电流极性判断精准，系统方 波畸变补偿效果佳，交流感应电机控制系统的整体性能好的感应电机控制系统的方波畸变 补偿装置。
【背景技术】
[0002] 我们知道，在科技高速发展的今天，交流感应电机（ACHM)的控制理论日趋成熟， 但由于在建立控制算法的过程中对逆变器和信号调理环节的特性进行了理想化，因而往往 不能直接在实际系统中得到预期的效果。造成这种障碍的基础性问题是逆变器的方波输出 畸变，方波输出畸变问题是电压源型逆变器（VSI)的共性问题，其不但削弱了电机控制系 统性能，也限制了先进控制算法的优越性。如图1所示，为了防止上、下桥同时开通，需要在 理想PWM信号中加入死区时间；为了保证VSI中并联的多个开关器件可以被安全、可靠地驱 动，往往需要加入信号放大器件、信号隔离器件等。图中电平转换、隔离、高低端驱动、推挽 等电路环节构成了 PWM方波信号的传递环节。这些类似的方波信号调理环节都不可避免地 使VSI输出的方波产生畸变，PWM方波畸变的形式主要有四种：幅值畸变、相位畸变、占空比 畸变、边沿斜率畸变。造成PWM方波畸变的主要因素有：
[0003] (1)在PWM信号中加入死区时间；
[0004] (2)传递环节开启/关断延迟；
[0005] (3)传递环节开启/关断特性不一致；
[0006] (4)电压源型逆变器的开启/关断延迟；
[0007] (5)电压源型逆变器的开启/关断特性不一致；
[0008] (6)电压源型逆变器的正向导通压降和二极管压降；
[0009] (7)功率开关器件的寄生电容。
[0010] 上述这些因素与PWM方波畸变的因果关系如图2。
[0011] 如图3所示，由于在理想PWM信号中加入死区时间，波形由理想的互补方波PWM#1变为PWM#2;PWM #2信号经过方波信号调理环节后输入给VSI，输出波形为PWM#3'，这个信号直 接驱动VSI的开关器件。
[0012] UIdeal在图中作为参考波形，由PWM#1产生，它的作用效果等同于算法中的目标相电 压If。Ufctual是VSI输出端的实际波形。与PWM#3波形相比，由于开关器件的开启/关断延 迟，Ufctual产生了占空比的变化。同时，Ufctual的幅值也受到正向导通压降U SAT和二极管压降 UD的影响。Δυ表示理想输出电压UIdEal与实际输出电Sufctual之间的差值。利用图3就可 以对幅值畸变、相位畸变、占空比畸变的影响进行量化。
[0013] 相位畸变对系统几乎没有影响，幅值畸变和占空比畸变则使实际输出的相电压与 理想相电压之间出现难以忽略的误差，该电压误差使控制系统关键指标下降，降低整体性 能。由幅值畸变和占空比畸变造成的电压误差比较容易进行量化，利用PWM的平均值原理 就可以计算出每个周期造成的误差电压大小。
[0014] 对图3的方波畸变过程进行详细分析后，可以推导出U相的误差电压表达式（V相 和W相形式相同）：
[0021] 在上面表达式中，Td为程序中设置的死区时间；
分别为方波信号调理环 节的开启和关断延迟：
'分别为VSI的开启和关断延迟。正向导通压降USAT和二极 管压降UD;T_P为补偿时间，是Up"的主要分量，同时Up"是Δυ,的主要组成部分；CT是程 序内的目标电压，其变化范围是_UDe/2~UDe/2山是U相电流，符号函数sgn (i用于获取 U相电流极性。
[0022] 式（a)定义的电压误差公式实质就是U相需要补偿的电压大小，通过公式计算出 补偿电压后，将其叠加到目标输出电压上，就可以完成对方波幅值畸变、占空比畸变的前馈 补偿。分析公式（a)可知，要实现精准的补偿，需要获得补偿电压大小和补偿时机两个重要 信息，如果不能准确把握这两点，将会导致补偿效果不理想，甚至加重波形畸变。
[0023] 误差电压幅值由式（b)中Up"和式（c)中Usub定义，公式中U DC和?Γ两项容易获取； USAT和U D的值可通过技术手册获得。U _表达式中的补偿时间Τ _ρ由死区时间、由于PWM传 递环节引起的电平时间变化和功率器件的开启/关断延迟时间组成，是误差电压的主要组 成部分。
[0024] 如图4所示，图中端电压的边沿不是按类似阶跃的规律变化，而是沿斜坡缓慢上 升/下降。这一现象主要是由于开关器件中的二极管和寄生电容引起的，而且在电流幅值 较小时更加明显。当电流幅值小于某一阈值时，开始出现端电压波形边沿斜率畸变，在相电 流小于零时，端电压波形的上升沿发生斜率畸变，在相电流大于零时，端电压波形的下降沿 发生斜率畸变；端电压边沿斜率的变化率和寄生电容容抗成反比，和电流的幅值大小成正 比。
[0025] 从图4中可以知道，在电流过零时，方波边沿斜率畸变使相电压产生了另外一部 分误差。由于受到开关器件微观寄生参数、工况等因素的严重影响，该部分误差的量化较为 困难，而且不容易进行补偿。
[0026] 随着基于VSI的电机控制系统应用日渐广泛，方波畸变问题宏观上所造成的效率 损失、能量损失及其他性能损失日益受到关注，尤其是在某些高性能场合，对方波畸变进行 有效补偿成为提高电机系统性能的必须手段。现有的对方波畸变进行有效补偿的电路及方 法种类繁多。但均存在对边沿斜率畸变引起的难以量化的误差电压无法进行补偿，滤波后 相位滞后、电流极性判断的误差大，系统方波畸变补偿效果差，交流感应电机控制系统的整 体性能低。
【发明内容】
[0027] 本实用新型的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种对边沿斜率畸变引起的 难以量化的误差电压进行补偿，改善了滤波后相位滞后现象，电流极性判断精准，系统方 波畸变补偿效果佳，交流感应电机控制系统的整体性能好的感应电机控制系统的方波畸变 补偿方法及装置。
[0028] 本实用新型解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
[0029] -种感应电机控制系统的方波畸变补偿装置，其特征在于包括微控制器、电压 采集装置、比较器、D/A转换电路、电流传感器、编码器、信号传递环节和电压源型逆变器 (VSI);电压采集装置包括四路分压电路，其中三路分压电路的输入端分别与交流感应电机 的三相电源接线相连、输出端分别与三个比较器的反相输入端相连，一路分压电路的输入 端与电压源型逆变器的直流母线相连、输出端与三个比较器的同相输入端相连，三个比较 器的输出端分别与微控制器的三个捕捉输入引脚相连，电流传感器的输入端与交流感应电 机的三相电源接线的任意两根相连，电流传感器的输出端分别与微控制器的两个模拟量输 入引脚相连，编码器输入端与交流感应电机输出轴相连，编码器输出端与微控制器的两个 编码器输入引脚相连；微控制器的（六路）PWM输出引脚分别与信号传递环节的输入端相 连，信号传递环节的（六路）输出端分别与电压源型逆变器的（六个全控器件的）控制极 相连；电压源型逆变器的三路输出端与交流感应电机的三相电源接线相连。
[0030] 工作时，电流传感器采集交流感应电机任意两相电流，传感器输