逆变器的死区补偿方法、系统及电动汽车与流程

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种逆变器的死区补偿方法、系统及电动汽车。

背景技术：

目前，环境和能源成为人们日益关注的问题。纯电动汽车具有零污染、零排放等优点，高效、节能、环保的纯电动汽车已经随之成为汽车行业发展趋势之一。纯电动汽车驱动控制系统由动力电池、电机、电机控制器等构成。电机控制器作为电机驱动系统的控制单元，其控制性能的好坏直接影响到整车驾驶的舒适性与操控性。

现有电机控制器的三相逆变电路中，理想情况下，三相逆变电路的同一桥臂的上下两个功率开关器件总是互补导通和关断的，但因器件的导通和关断都需要一定的时间，且通常关断时间比导通时间长，因此，在实际应用中为了确保同一桥臂的上下两个器件不致发生直通短路，通常会使同一桥臂的上下两个功率开关器件的导通和关断错开一定的时间，即在二者之间加入一段死区时间，以保证同一桥臂的上下两个功率开关器件总是先关断后导通，如图5所示。但是，死区时间的存在给三相逆变器带来了十分有害的死区效应，即死区时间的存在使得实际输出的三相SVPWM波形的占空比低于给定占空比；当所述占空比低于给定占空比时，会造成电机控制器输出电压有效值降低，进而导致电机控制器的控制效率降低，直接影响整车驾驶性能。

在每个PWM周期中对每相电压进行直接补偿，每个PWM周期中由死区时间所引起的电压偏差大小为：其中：T为PWM脉冲周期,V_d为直流母线电压。每个PWM脉冲的死区时间对每相电流在相同极性时的影响一致，控制器输出的半个电压周期的平均电压偏差ΔV的绝对值为下式(1)，其正负决定于该相电流极性，

$\left|\mathrm{\ΔV}\right|=\mathrm{\ΔV}=\frac{(M/2)T_m}{T_f/2}{V}_d;$

其中，M为控制器输出一个周期电压中的PWM开关周期数，T_f为逆变器输出的一个电压周期。

现有死区补偿方法就是按照各相电流极性分别对矢量变换中的三相电压参考值直接按照式(1)给出的偏差电压进行修正，即：

V_cmp＝V_ref+ΔV,i>0；

V_cmp＝V_ref-ΔV,i<0；

这种死区补偿方法实时性和准确性都不高，会造成电机控制器输出电压有效值降低和转矩脉动，直接影响整车驾驶性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种逆变器的死区补偿方法，该方法解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种逆变器的死区补偿方法，包括以下步骤：在脉宽调制信号PWM的每个周期内采集驱动电机的三相电流，并分别判断所述三相电流中每相电流的极性；获取所述脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间；根据所述补偿时间和所述三相电流中每相电流的极性对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间；判断所述补偿后的开关时间是否位于预设时间范围内；如果所述补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，则将对应的所述预设时间范围的上限值或下限值作为所述补偿后的开关时间；根据所述补偿后的开关时间输出带有死区补偿的脉宽调制信号PWM。

进一步的，所述脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，通过如下公式得到：

$T\_\mathrm{CMP}=\frac{T_m}{2*T}\mathrm{PWMPRD},$

其中，所述T_CMP为所述脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，所述PWMPRD为基准定时器的始终周期设定值，所述T为脉宽调制信号PWM的采样周期，所述T_m＝T_d+T_on-T_off。

进一步的，通过如下公式对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间，所述公式为：

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref-T_CMP,i_k>0，

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref+T_CMP,i_k<0，

其中，k＝a,b,c，CMPR_K_CMP为补偿后的开关时间，CMPR_k_ref为初始开关时 间。

进一步的，如果所述补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，则将对应的所述预设时间范围的上限值或下限值作为所述补偿后的开关时间，进一步包括：

如果CMPR_K_CMP≤0.05*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.05*PWMPRD；

如果CMPR_K_CMP≥0.95*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.95*PWMPRD。

相对于现有技术，本发明所述的逆变器的死区补偿方法具有以下优势：

本发明所述的逆变器的死区补偿方法，在每个PWM计算周期都对死区效应进行补偿，根据三相电流的极性直接对开关时间进行修正，进而对死区时间所减少的开关时间进行补偿，即在每个电流采样周期对PWM的占空比进行实时修改。另外，针对补偿后的开关时间进行限制，以免PWM输出脉冲宽度小于死区时间或出现饱和情形，进而输出期望的理想脉冲宽度。解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

本发明的另一目的在于提出一种逆变器的死区补偿系统，该系统解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种逆变器的死区补偿系统，包括：电流采集模块，用于在脉宽调制信号PWM的每个周期内采集驱动电机的三相电流，并分别判断所述三相电流中每相电流的极性；补偿时间获取模块，用于获取所述脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间；补偿模块，用于根据所述补偿时间和所述三相电流中每相电流的极性对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间；判断模块，用于判断所述补偿后的开关时间是否位于预设时间范围内，如果所述补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，则将对应的所述预设时间范围的上限值或下限值作为所述补偿后的开关时间；输出模块，用于根据所述补偿后的开关时间输出带有死区补偿的脉宽调制信号PWM。

进一步的，所述补偿时间获取模块通过如下公式得到所述补偿时间：

$T\_\mathrm{CMP}=\frac{T_m}{2*T}\mathrm{PWMPRD},$

其中，所述T_CMP为所述脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，所述PWMPRD为基准定时器的始终周期设定值，所述T为脉宽调制信号PWM的采样周期，所述T_m＝T_d+T_on-T_off。

进一步的，所述补偿模块，通过如下公式对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开 关时间，所述公式为：

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref-T_CMP,i_k>0，

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref+T_CMP,i_k<0，

其中，k＝a,b,c，CMPR_K_CMP为补偿后的开关时间，CMPR_k_ref为初始开关时间。

进一步的，所述判断模块用于在所述补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，根据如下公式将对应的所述预设时间范围的上限值或下限值作为所述补偿后的开关时间，所述公式为：

如果CMPR_K_CMP≤0.05*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.05*PWMPRD；

如果CMPR_K_CMP≥0.95*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.95*PWMPRD。

所述的逆变器的死区补偿系统与上述的逆变器的死区补偿方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的再一个目的在于提出一种电动汽车，该电动汽车解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电动汽车，设置有如上述实施例所述的逆变器的死区补偿系统，该电动汽车解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

所述的电动汽车与上述的逆变器的死区补偿系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种含有死区补偿的永磁同步电机SVPWM控制结构框图；

图2为本发明实施例所述的逆变器的死区补偿方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的逆变器的死区补偿方法的详细流程图；

图4为本发明实施例所述的逆变器的死区补偿系统的结构框图；以及

图5为相关技术中的带有死区延时的PWM输出图。

附图标记说明：

400-逆变器的死区补偿系统、410-电流采集模块、420-补偿时间获取模块、430-补偿模块、440-判断模块和450-输出模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是根据本发明一个实施例的逆变器的死区补偿方法的流程图。

如图1所示，永磁同步电机控制主要基于矢量控制(见图1)，首先简述矢量控制的基本原理：

1、首先给定速度信号与检测到的速度信号相比较，经速度PI控制器的调节后，输出交轴电流分量作为电流PI调节器的给定信号I_qref；

2、同时采集三相电流并且利用Clark变换和Park变换将其转换到d、q轴下，作为定子反馈电流I_d、I_q；

3、控制直轴给定电流I_dref等于0，与变换后得到的直轴电流I_d相比较，经过PI调节器后输出直轴电压V_dref，给定交轴电流I_qref与变换后得到的交轴电流I_q相比较，经过PI调节器后输出交轴电压V_qref；

4、然后经过Park逆变换得到α、β轴电压V_{α ref}和V_{β ref}；

5、最后通过SVPWM模块输出六路控制信号驱动逆变器工作，输出可变幅值和频率的三相正弦电流输入电动机定子。

如图2所示，根据本发明一个实施例的逆变器的死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤S201：在脉宽调制信号PWM的每个周期内采集驱动电机的三相电流，并分别判断三相电流中每相电流的极性。

步骤S202：获取脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间。

在本发明的一个实施例中，脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，可以通过如下公式得到：

$T\_\mathrm{CMP}=\frac{T_m}{2*T}\mathrm{PWMPRD}---\left(1\right)$

其中，T_CMP为脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，PWMPRD为基准定时器的始终周期设定值，T为脉宽调制信号PWM的采样周期，T_m＝T_d+T_on-T_off。

步骤S203：根据补偿时间和三相电流中每相电流的极性对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间。

例如：通过如下公式对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间，所述公式为：

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref-T_CMP,i_k>0 (2)

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref+T_CMP,i_k<0 (3)

其中，k＝a,b,c，CMPR_K_CMP为补偿后的开关时间，CMPR_k_ref为初始开关时间

步骤S204：判断补偿后的开关时间是否位于预设时间范围内。

步骤S205：如果补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，则将对应的预设时间范围的上限值或下限值作为补偿后的开关时间。作为一个具体的示例，例如：

如果CMPR_K_CMP≤0.05*PWMPRD，CMPR_K_CMP＝0.05*PWMPRD (4)

如果CMPR_K_CMP≥0.95*PWMPRD，CMPR_K_CMP＝0.95*PWMPRD (5)

步骤S206：根据补偿后的开关时间输出带有死区补偿的脉宽调制信号PWM。

矢量控制方法中由于加入死区补偿算法，死区时间的存在使得实际输出的三相SVPWM波形的占空比低于给定占空比，从而带来死区效应，所以死区补偿算法的准确性严重影响矢量控制效果。本发明实施例的方法在每个PWM计算周期都对死区效应进行补偿，也就是根据电流极性实时改变PWM脉冲发生时刻，对死区时间所减少的开关时间进行补偿，从而输出期望的理想脉冲宽度。

具体而言，以英飞凌Tricore系列单片机为例，SVPWM控制的实现是由单片机内部的三个CMPR寄存器同基准定时器进行比较以得到准确地开关时刻。根据三相电流的极性直接对CMPR寄存器值进行修正，从而可以非常方便的在每个电流采样周期对PWM的占空比进行实时修改。如图3所示，并结合公式(1)、(2)和(3)可以得到补偿后的开关时间。然后，如果出现PWM输出脉冲宽度较小，以至短于死区时间的情形。因此需要通过上述公式(4)(5)对公式(2)和公式(4)的补偿后的开关时间进行修正。

根据本发明实施例的逆变器的死区补偿方法，在每个PWM计算周期都对死区效应进行补偿，根据三相电流的极性直接对开关时间进行修正，进而对死区时间所减少的开关时间进行补偿，即在每个电流采样周期对PWM的占空比进行实时修改。另外，针对补偿后的开关时间进行限制，以免PWM输出脉冲宽度小于死区时间或出现饱和情形，进而输出期望的理 想脉冲宽度。解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

图4是根据本发明一个实施例的逆变器的死区补偿系统的结构框图。如图4所示，根据本发明一个实施例的逆变器的死区补偿系统400，包括：电流采集模块410、补偿时间获取模块420、补偿模块430、判断模块440和输出模块450。

其中，电流采集模块410用于在脉宽调制信号PWM的每个周期内采集驱动电机的三相电流，并分别判断三相电流中每相电流的极性。补偿时间获取模块420用于获取脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间。补偿模块430用于根据补偿时间和三相电流中每相电流的极性对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间。判断模块440用于判断补偿后的开关时间是否位于预设时间范围内，如果补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，则将对应的预设时间范围的上限值或下限值作为补偿后的开关时间。输出模块450用于根据补偿后的开关时间输出带有死区补偿的脉宽调制信号PWM。

在本发明的一个实施例中，补偿时间获取模块420例如通过如下公式得到补偿时间：

$T\_\mathrm{CMP}=\frac{T_m}{2*T}\mathrm{PWMPRD},$

其中，T_CMP为脉宽调制信号PWM的每个周期的补偿时间，PWMPRD为基准定时器的始终周期设定值，T为脉宽调制信号PWM的采样周期，T_m＝T_d+T_on-T_off。

在本发明的一个实施例中，补偿模块430例如通过如下公式对初始开关时间进行补偿，以得到补偿后的开关时间，公式为：

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref-T_CMP,i_k>0，

CMPR_K_CMP＝CMPR_k_ref+T_CMP,i_k<0，

其中，k＝a,b,c，CMPR_K_CMP为补偿后的开关时间，CMPR_k_ref为初始开关时间。

在本发明的一个实施例中，判断模块440用于在补偿后的开关时间没有位于预设时间范围内，根据如下公式将对应的预设时间范围的上限值或下限值作为补偿后的开关时间，公式为：

如果CMPR_K_CMP≤0.05*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.05*PWMPRD；

如果CMPR_K_CMP≥0.95*PWMPRD，则CMPR_K_CMP＝0.95*PWMPRD。

根据本发明实施例的逆变器的死区补偿系统，在每个PWM计算周期都对死区效应进行补偿，根据三相电流的极性直接对开关时间进行修正，进而对死区时间所减少的开关时间进 行补偿，即在每个电流采样周期对PWM的占空比进行实时修改。另外，针对补偿后的开关时间进行限制，以免PWM输出脉冲宽度小于死区时间或出现饱和情形，进而输出期望的理想脉冲宽度。解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

需要说明的是，本发明实施例的逆变器的死区补偿系统的具体实现方式与本发明实施例的逆变器的死区补偿方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，不做赘述。

进一步地，本发明的实施例公开了一种电动汽车，该电动汽车设置有上述实施例所述的逆变器的死区补偿系统。该电动汽车解决了由于死区时间的存在使电机控制器三相逆变电路输出波形的当前三相占空比低于给定三相占空比的问题，提高了电机控制器的控制效率。

另外，根据本发明实施例的电动汽车的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。