专利名称：基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法
技术领域：
本发明涉及交流伺服技术领域，更具体地说，涉及一种基于电压等效的脉宽调制 输出的电压补偿方法。
背景技术：
交流伺服系统作为现代工业生产的主要驱动源之一，是现代工业生产的基础技 术。交流伺服系统这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得 到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设 备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统等在现代全数字交流伺服系统中，一般通过PWM (脉宽调制)技术驱动电压源型逆变 器实现对永磁同步电机进行控制。逆变器中，为了避免开关器件功率模块非理想特性导致 的一个桥臂上下两功率管直通现象，工程应用中必须加入死区时间。在死区时间内，由于上 下两功率管都没有触发信号，输出电压完全取决于输出电流的极性，因此输出电压是不可 控的，其直接结果是将导致输出电压畸变。为了避免输出电压畸变，现有技术中提出了很多关于死区补偿的方法，例如，采用 反馈电流滞环判断电流方向，修正开关器件开通时刻以实现死区补偿，该方法不需要附加 电路，但由于采用反馈电流滞环判断电流过零点，补偿精度较低，并将导致输出波形滞后； 基于实时检测开关器件导通时间的死区补偿和电压检测方法，该方法可实时精确地检测死 区时间，有利于提高电机系统性能，但附加电路成本较高。但仅考虑死区效应进行补偿是存在缺陷的，这是因为开关器件的功率管及续流二 极管均存在管压降，同时开关器件还存在硬件响应时间等因素，而上述这些因素都会影响 输出电压，而现有技术中鲜有对上述因素进行综合考虑的补偿方案。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中采用脉宽调制输出时，仅考虑死区效应进行补偿 的不足，提供一种可有效避免输出电压畸变，并同时将死区效应、开关器件功率管和续流二 极管管压降以及开关器件响应时间进行考虑基于电压作用等效的电压补偿方法。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现一种基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于，包括如下步 骤判断永磁同步电机三相电流的方向；根据每一相的电流方向，计算每一相PWM波等效的实际输出相电压；对至少两相等效的实际输出相电压进行补偿，使得补偿后三相的线电压与理想三 相的线电压相等。本发明中，计算两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角，根据永磁 同步电机转子电角度与dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角获取dq坐标系下合成电流矢量的角度，再根据dq坐标系下合成电流矢量的角度滞后永磁同步电机某一相电流角度 η/2，获取该相电流角度，进而获取永磁同步电机三相电流角度，再根据三相电流角度获取 永磁同步电机三相电流的方向。本发明中，每一相等效的实际输出相电压，由每一相的PWM波的占空比、开关管压 降、续流二级管压降、死区时间，根据电压面积等效进行计算，进一步，为了充分考虑各种因 素对等效的实际输出相电压的影响，将开关管开启和关闭时间加入电压面积等效计算过程。本发明中，对三相等效的实际输出相电压进行补偿前，先获取每一相在不同电流 方向时，等效的实际输出相电压与理想的输出相电压之间的电压差值。根据补偿时刻永磁同步电机三相电流的方向，获取使得补偿后三相的线电压与理 想三相的线电压相等，三相电压补偿量与三相电压差值应具有的对应关系，指定三相中其 中一相的电压补偿量，进而获取其他两相的电压补偿量。根据补偿时刻永磁同步电机三相电流的方向，获取使得补偿后三相的线电压与理 想三相的线电压相等，三相电压补偿量与三相电压差值应具有的对应关系，对三相中其中 一相进行零电压补偿，进而获取其他两相的电压补偿量。对三相中，永磁同步电机电流方向不同于另外两相的一相进行零电压补偿，使得 永磁同步电机电流谐波相对较小。对三相中，永磁同步电机电流方向相同的两相之一进行零电压补偿，以尽可能减 小对逆变器功率管的损耗。本发明通过电压作用等效及线电压等效作用，来实现对三相等效的实际输出相电 压进行补偿，通过电压补偿的方式，在完成对死区效应补偿的同时，对开关器件功率管和续 流二极管管压降以及开关器件响应时间的影响也一并进行了处理，电压补偿量的算法简 单、精确，具有控制效果较好，适用范围较广等优点。
图1为永磁同步电机控制的相量2为永磁同步电机相电流角度、dq坐标系下合成电流矢量角度、转子电角度三 者之间的关系示意3为电流流入电机时永磁同步电机某一相理想输出相电压与实际输出相电压 关系示意4为电流流入电机时一个PWM周期内开关器件功率管状态与对应电流流向示意 5为电流流入电机时永磁同步电机某一相等效的理想输出相电压示意6为电流流入电机时永磁同步电机某一相等效的实际输出相电压示意7为电流流出电机时永磁同步电机某一相理想输出相电压与实际输出相电压 关系示意8为电流流出电机时一个PWM周期内开关器件功率管状态与对应电流流向示意 9为电流流出电机时永磁同步电机某一相等效的理想输出相电压示意图
图10为电流流出电机时永磁同步电机某一相等效的实际输出相电压示意图
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。 本发明的主旨在于，在交流伺服系统中，通过PWM (脉宽调制)技术驱动电压源型 逆变器实现对永磁同步电机进行控制在采用脉宽调制输出时，仅考虑死区效应进行补偿的 不足，从电压补偿的角度出发，同时将死区效应、开关器件功率管和续流二极管管压降以及 开关器件响应时间等因素均进行考虑的补偿方法。本发明基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，在进行补偿之前，首先需 要确定的是永磁同步电机三相电流的方向，这是进行补偿的基础，在三相电流方向未知的 情况下，是无法进行补偿操作的。常规方法是利用电流传感器直接检测三相电流值，进而判断电流方向，但由于相 电流存在振荡、PWM的开关噪声和零电流钳位现象，直接检测电流值来判断三相电流方向的 效果是很差的，本发明中将采用间接方法进行检测。参见图1，根据三相静止坐标系到两相同步旋转dq坐标系的变换规则，两相同步 旋转dq坐标系下合成电流矢量Is的角度与永磁同步三相电流是存在对应关系的，合成电 流矢量Is的角度是滞后三相中某相电流角度η/2的，当然通常是以滞后a相电流角度 η/2进行定义的。如图1中所示，合成电流矢量Is的角度滞后a相电流IuO为π/2，而永 磁同步电机三相电流相互差η 2/3，因此得知三相中任意一相的电流角度就可以得到其他 两相的电流角度，得到三相电流角度后，即可方便的判断三相电流的方向。如下表所示
权利要求
基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于，包括如下步骤判断永磁同步电机三相电流的方向；根据每一相的电流方向，计算每一相PWM波等效的实际输出相电压；对至少两相等效的实际输出相电压进行补偿，使得补偿后三相的线电压与理想三相的线电压相等。
2.如权利要求1所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 计算两相同步旋转dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角，根据永磁同步电机转子电角度 与dq坐标系下合成电流矢量与q轴的夹角获取dq坐标系下合成电流矢量的角度，再根据 dq坐标系下合成电流矢量的角度滞后永磁同步电机某一相电流角度π/2，获取该相电流 角度，进而获取永磁同步电机三相电流角度，再根据三相电流角度获取永磁同步电机三相 电流的方向。
3.如权利要求1或2所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在 于每一相等效的实际输出相电压，由每一相的PWM波的占空比、开关管压降、续流二级管 压降、死区时间，根据电压面积等效进行计算。
4.如权利要求3所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 将开关管开启和关闭时间加入电压面积等效计算。
5.如权利要求1或2所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在 于对三相等效的实际输出相电压进行补偿前，先获取每一相在不同电流方向时，等效的实 际输出相电压与理想的输出相电压之间的电压差值。
6.如权利要求5所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 根据补偿时刻永磁同步电机三相电流的方向，获取使得补偿后三相的线电压与理想三相的 线电压相等，三相电压补偿量与三相电压差值应具有的对应关系，指定三相中其中一相的 电压补偿量，进而获取其他两相的电压补偿量。
7.如权利要求5所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 根据补偿时刻永磁同步电机三相电流的方向，获取使得补偿后三相的线电压与理想三相的 线电压相等，三相电压补偿量与三相电压差值应具有的对应关系，对三相中其中一相进行 零电压补偿，进而获取其他两相的电压补偿量。
8.如权利要求7所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 对三相中，永磁同步电机电流方向不同于另外两相的一相进行零电压补偿。
9.如权利要求7所述的基于电压等效的脉宽调制输出的电压补偿方法，其特征在于 对三相中，永磁同步电机电流方向相同的两相之一进行零电压补偿。
全文摘要
本发明解决现有技术中采用脉宽调制输出时，仅考虑死区效应进行补偿的不足，提供一种可有效避免输出电压畸变，并同时将死区效应、开关器件功率管和续流二极管管压降以及开关器件响应时间进行考虑的电压补偿方法。该方法通过判断永磁同步电机三相电流的方向，运用电压作用等效对至少两相等效的实际输出相电压进行补偿，使得补偿后三相的线电压与理想三相的线电压相等。本发明电压补偿量的算法简单、精确，具有控制效果较好，适用范围较广等优点。
文档编号H02M7/48GK101951182SQ20101026834
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者叶林华, 邹积浩 申请人:东元总合科技(杭州)有限公司