基于特定谐波补偿的同步死区调制方法与流程

本发明涉及伺服驱动系统控制领域，尤其涉及一种基于特定谐波补偿的同步死区调制方法。
背景技术：
：伺服驱动系统是数控机床、工业机器人等高性能机电一体化产品的重要组成部分和功能部件，也是一个国家机械制造水平的基础实力。伺服驱动系统的核心是伺服电动机的控制技术，控制技术的先进程度与电动机、微电子技术、功率开关、传感器以及控制理论的发展有着紧密的联系。现代高档数控机床采用永磁力矩电机直接驱动方式，去掉了中间传动机构，实现高精度进给。但电机的谐波转矩以及电机的电磁振动等因素都将直接影响加工质量，即电机本身的波动会直接影响加工工件的精度。故抑制电机本身输出转矩脉动十分关键，当电机低速运行时，消除电机自身的振动尤为重要。伺服控制器绝大多数都使用脉宽调制技术，即按照固定的频率和幅值指令生成预期和重复的开关模式；这种技术虽然可以很好地抑制电压波形中的低次谐波，但却在定子电压中注入一定谐波电压分量，使定子电流中含有丰富的高次谐波，使气隙磁场中也存在着丰富的谐波，尤其在开关频率及其整数倍附近，电流高次谐波在气隙磁场中产生高速旋转的空间谐波，显著地影响了电机气隙磁场中电磁力波的幅值和次数，从而改变合成旋转磁动势的波形。此外，电机不是在固定的转速下运行，而是在一定的频率范围内工作，因此，电机的运行过程中，电磁力波频率就有可能会与电机某些模态的固有频率重合，进而产生机械共振的现象，从而使电机产生较大幅度的振动和令人烦躁的噪声。在pwm逆变器中，由于功率开关器件的存储效应而存在关断延时，为了避免逆变器同一桥臂两个功率开关管发生直通而引起输入短路，必须在开通和关断信号之间设置一个死区时间。在逆变器的发展过程中，为了获得优良的正弦输出电压波形，曾提出了许多新颖的控制方式，但大多数都必须设计死区时间。死区时间的插入使得逆变器能够安全工作，但若死区时间选择得不合适，将大大影响逆变器的动态性能，降低逆变器的输出性能，尤其表现在输出电压上。随着死区时间的增长，逆变器的工作越安全，但同时将使逆变器的输出电压波形质量变差，输出电压的有效值增大或者减小，从而对负载造成影响。通过设置基于共振频率周期性变化的死区时间，来消除定子电流机械共振点处的特定谐波。本发明提出了一种基于特定谐波补偿的同步死区调制策略。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于特定谐波补偿的同步死区调制策略。为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：1、一种基于特定谐波补偿的同步死区调制方法，其特征在于，包括如下步骤：通过编码器输出a+、a-、b+、b-、z+、z-差分信号，经差动接收器处理后得到的a、b、z信号送到事件管理器的正交编码脉冲电路qep上；通过qep的译码器对正交编码信号进行译码，得到永磁同步电机转子的转速、旋转方向、旋转位置信息；事件管理器的下溢中断t1ufint触发ad采样，即ad的采样频率为触发频率；经过三相静止到两相旋转坐标变换之后得到反馈电流id、iq，与给定id*、iq*求偏差，经过电流调节得到给定电压；给定电压经过两相旋转到两相静止坐标变换之后得到uα、uβ，经过基于周期性死区调制的svpwm算法，得到6路死区时间周期性变化的pwm斩波，经电平转换电路的处理，用于控制功率器件igbt开通和关断，使电压源逆变器输出适当电压，实现电机调速运行。pwm调节受到载波调节控制，调节死区时间的周期性和相位。(可消除相应的谐波，抑制电磁激振力，降低振动噪声。)还包括永磁同步电机转子位置初始化的步骤，在交直轴正常解耦的前提下，通过给电机定子施加电流矢量，利用增量式编码器脉冲信号检测电机转动方向来判定转动方向与输入电流相位之间的关系，通过多次比较，不断改变电流矢量方向来实现缩小定位范围，直至最后所给定的电流矢量不再使转子产生位移或者很小的位移量，便实现的转子在极小位移量的前提下准确定位。还包括确定电机转子的电角速度的步骤，采用2500线的增量式编码器，输出信号a+，a-，b+，b-，z+，z-六路差分信号，经过差动接收器，转换为事件管理器的正交编码模块电路能够接收的信号，事件管理器接收到a、b两相的脉冲信号，事件管理器先判断电机的运动方向并将其四倍频，然后采用m/t算法得到电机的转速。经过基于周期性死区调制的svpwm算法，具体包括如下步骤：第一步：正交信号uαuβ输入到扇区判断模块中，可判断出vref所在的扇区n；svpwm信号的实时调制，需要确定vref所在的扇区，分析vα和vβ的关系：若vβ＞0，则a＝1，否则a＝0；若则b＝1，否则b＝0；若则c＝1，否则c＝0，因此，扇区n＝a+2b+4c；第二步：n输入到基础矢量作用时间模块中，该模块可确定出每个扇区中相邻的两个非零矢量作用时间t1、t2；计算出每个扇区内两相邻的非零矢量及零矢量的作用时间tk、tk+1、t0，令对于不同的扇区t1、t2按表取值，t1、t2赋值后，需要对其饱和进行判断，若t1+t2＞t，则取t1＝t1t/(t1+t2)，t2＝t2t/(t1+t2)；表1基础矢量作用时间t1、t2取值表扇区iiiiiiivvvin315462t1-zzx-x-yyt2xy-yz-z-x第三步：t1、t2和n输入到三相时间比较模块中，可得到三相时间比较值tcm1、tcm2、tcm3，矢量切换点tcm1、tcm2、tcm3的计算，以第一扇区为例，令中间变量分别为ta、tb、tc，由pwm调制原理可得ta＝(t-t1-t2)/4，tb＝ta+t1/2，tc＝tb+t2/2，不同扇区对应的比较值tcm1、tcm2、tcm3；表2不同扇区开关切换时间扇区ntcm1tcm2tcm3i3tatbtcii1tbtatciii5tctatbiv4tctbtav6tbtctavi2tatctb第四步：tcm1、tcm2、tcm3经周期性变化死区生成模块，得出的六路带有可变死区pwm脉冲，驱动igbt。所述事件管理器采用tms320f2812作为主控芯片，其控制过程按以下步骤执行：步骤一、系统初始化；步骤二、初始化定时器t1、t2；步骤三、使能通用定时器t1下溢中断(主中断)和通用定时器t2的cap3中断；步骤四、初始化pwm模块、qep模块、adc模块、软启动模块、id、iq电流和速度调节器模块；步骤五、中断等待；步骤六、t1中断服务子程序；步骤七、结束。其中，步骤六中t1中断处理过程按以下步骤执行：步骤1、保护现场并清中断标志位；步骤2、读ad采样值，相电流及母线电压；步骤3、运行clark变换及park变换；步骤4、执行电流pid控制算法；步骤5、若电流正常，执行步骤6；否则执行步骤11；步骤6、运行ipark变换；步骤7、运行死区时间周期性变化的空间电压矢量模块；步骤8、运行速度模块，若速度正常执行步骤9，否则执行步骤11；步骤9、更新驱动信号和svpwm参数步骤10、恢复现场跳出中断，执行步骤12；步骤11、封锁pwm脉冲，并显示错误信号；步骤12、返回主函数。与现有技术相比，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过周期性变化的死区时间来消除定子电流机械共振点处的特定谐波的控制方法，特别适用于抑制在驱动负载时产生的机械共振的电机控制装置。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。附图说明图1是本发明实施例igbt开关过程波形图；图2是本发明实施例对称死区、不对称死区驱动信号图；图3是本发明实施例三相整流电路及直流母线示意图；图4是本发明实施例典型三相逆变电路图；图5是本发明实施例基于特定谐波补偿的同步死区调制控制系统整体硬件框图；图6是本发明实施例基于特定谐波补偿的同步死区调制方法具体控制框图；图7是本发明实施例svpwm基本矢量分布图；图8是本发明实施例带可变死区的svpwm模块流程框图；图9是本发明实施例载波频率10k时可变死区时间波形图；图10是本发明实施例未加周期性死区时间的a相电流谐波分析图；图11是本发明实施例加入周期性变化死区时间，a相电流谐波分析图；图12是本发明实施例主程序流程框图；图13是本发明实施例中断服务子程序流程框图；图14是本发明实施例死区时间周期性变化的空间电压矢量模块程序流程框图；图15是本发明实施例a、b两相调制波波形图。具体实施方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述：首先介绍一下本发明所涉及的理论基础。假设igbt是理想开关，开通和关断是在瞬间完成的，可以不考虑死区时间。但实际上igbt开通和关断是由栅极和发射极间电压uge决定的，当uge为正且大于开启电压uge(th)时，mosfet内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使igbt导通；当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，mosfet内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得igbt关断，这都需要一定的时间才能完成。图1所示为igbt的开关过程，从图中可以看出，在igbt打开时，栅射极驱动电压uge从其幅值10％到集电极电流icm上升到其90％幅值时需要ton时间开通；在igbt关闭时，栅射极驱动电压uge从其幅值90％到集电极电流icm下降到其10％幅值需要toff时间关断。ton和toff通常称为igbt的开通和关断时间。180°导通电压源型逆变器，在同一桥臂上、下两个开关器件之间完成换流，采用互补的pwm驱动信号。由于功率开关器件固有存储时间td的影响，关断时间toff要比开通时间ton长，因此很容易发生同一桥臂上、下两只开关器件同时导通的短路故障。为了防止这一现象的出现，通常在逆变器同一桥臂上、下两只开关器件导通之间加入一定的时间间隔td，即死区时间或死区延迟，设置死区时间td的目的是保证同桥臂上的一只开关管可靠关断后，另一只开关管才能开通。死区时间设置的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。因此，死区时间的三个要素：(1)存在直流电压母线；(2)有两个开关器件串联后构成该母线上的一个桥臂；(3)这两个开关器件需要以开关频率交替导通。开关死区时间的设置方式有多种，如图2所示：对称设置、混合设置、延迟导通设置、提前关断设置等。对称设置是指开关管提前td/2时间关断，延迟td/2时间开通，整个开关周期的死区时间为td。延迟导通设置就是在三只桥臂任一开关管在导通时，让其延时td时间再开通，关断时仍然按时关断，这几种死区设置方式都能够有效地保护功率开关管。以下详细介绍本发明：基于特定谐波补偿的同步死区调制方法的具体步骤，具体步骤如下：如图3、4、5所示，整个基于特定谐波补偿的同步死区调制方法的控制系统主要由功率驱动部分和控制部分组成。功率驱动部分由整流、逆变、开关电源组成。主电路是功率变换的执行机构，采用交-直-交电压源型变压变频装置，主要包括整流电路、滤波电路、逆变电路等组成，其工作原理是将三相交流电通过不可控整流变为直流；逆变器将经过滤波的直流变为电压和频率可调的三相交流提供给电机。控制单元的核心芯片tms320f2812是电机控制专用芯片，具有强大的功能，用它来完成矢量控制系统的电流与电压的a/d转换、坐标变换、电动机的转速和位置的计算，最后运用矢量控制算法，得到含有按周期性变化死区时间的pwm斩波信号，再经过光耦隔离电路后，驱动igbt功率开关器件。如图6所示，本发明基于特定谐波补偿的同步死区调制方法的具体控制框图如图6所示。包括电流/母线电压/位置采样环节、三相静止坐标系向两相旋转坐标系变化环节、转速调节环节；定子电流和转子电流调节环节、两相旋转坐标系向两相静止坐标系变化环节及pwm斩波生成环节。具体方法是：编码器输出的a+、a-、b+、b-、z+、z-差分信号，经差动接收器处理后得到的a、b、z信号送到tms320f2812事件管理器正交编码脉冲电路qep上，a和b信号90度正交，z相作为零相位，编码器的码盘旋转一周，就产生一个标志信号，常用于基准点定位。通过qep的译码器对正交编码信号进行译码，得到电机转子的转速、旋转方向、旋转位置等信息。霍尔电流传感器采样得到的电机相电流经运放处理后幅值在0-3v，输入到tms320f2812的ad口，eva事件管理器的下溢中断t1ufint触发ad采样，即ad的采样频率为触发频率。经过三相静止到两相旋转坐标变换之后得到反馈电流id、iq，与给定id、iq求偏差，经过电流调节得到给定电压；给定电压经过两相旋转到两相静止坐标变换之后得到uα、uβ，经过基于周期性死区调制的svpwm算法，得到6路死区时间周期性变化的pwm斩波，经电平转换等电路的处理，用于控制功率器件igbt开通和关断，使电压源逆变器输出适当电压，实现电机调速运行。pwm调节受到载波调节控制，调节死区时间的周期性和相位，可消除相应的谐波，抑制电磁激振力，降低振动噪声。(1)永磁同步电机转子位置初始化；对于增量式编码器的永磁同步电机而言，上电之前不能直接读到转子的电角度，也就是说在电动机转动之前，转子的位置是未知的，因此需要在电动机运行前对转子进行定位，完成转子的相位初始化。本发明采用摄动定位方法，摄动定位的主要思想是：在交直轴正常解耦的前提下，通过给电机定子施加电流矢量，利用增量式编码器脉冲信号检测电机转动方向来判定转动方向与输入电流相位之间的关系，通过多次比较，不断改变电流矢量方向来实现缩小定位范围，直至最后所给定的电流矢量不再使转子产生位移或者很小的位移量，便实现的转子在极小位移量的前提下准确定位。(2)确定电机转子的电角速度；本发明采用2500线的增量式编码器，输出信号a+，a-，b+，b-，z+，z-六路经过差动接收器，转换为dsp的正交编码模块电路能够接收的信号，tms320f2812接收到a、b两相的脉冲信号，一方面，先判断电机的运动方向并将其四倍频，然后采用m/t算法得到电机的转速。(3)执行基于特定谐波补偿的同步死区调制算法，具体如下：本发明基于同步死区调制的svpwm算法由四部分组成，基本矢量分布如图7所示，具体流程模块如图8所示。第一步：正交信号uαuβ输入到扇区判断模块中，可判断出vref所在的扇区n。svpwm信号的实时调制，需要确定vref所在的扇区。分析vα和vβ的关系：若vβ＞0，则a＝1，否则a＝0；若则b＝1，否则b＝0；若则c＝1，否则c＝0。因此，扇区n＝a+2b+4c。第二步：n输入到基础矢量作用时间模块中，该模块可确定出每个扇区中相邻的两个非零矢量作用时间t1、t2。计算出每个扇区内两相邻的非零矢量及零矢量的作用时间tk、tk+1、t0。令对于不同的扇区t1、t2按表取值。t1、t2赋值后，需要对其饱和进行判断。若t1+t2＞t，则取t1＝t1t/(t1+t2)，t2＝t2t/(t1+t2)。表1基础矢量作用时间t1、t2取值表第三步：t1、t2和n输入到三相时间比较模块中，可得到三相时间比较值tcm1、tcm2、tcm3。矢量切换点tcm1、tcm2、tcm3的计算，以第一扇区为例，令中间变量分别为ta、tb、tc，由pwm调制原理可得ta＝(t-t1-t2)/4，tb＝ta+t1/2，tc＝tb+t2/2，不同扇区对应的比较值tcm1、tcm2、tcm3。表2不同扇区开关切换时间扇区ntcm1tcm2tcm3i3tatbtcii1tbtatciii5tctatbiv4tctbtav6tbtctavi2tatctb第四步：tcm1、tcm2、tcm3经周期性变化死区生成模块，得出的六路带有可变死区pwm脉冲，驱动igbt。传统的死区时间是固定不变的，其存在导致输出电压波形产生畸变，降低了基波幅值，增加了负载的谐波损耗，在低频以及高载波频率时，会使电机电磁转矩发生较大脉动，严重地影响了系统的运行性能。本发明基于周期性变化的死区时间，采用不对称死区时间设置方式，变化频率与机械共振频率相同，通过鉴相调整处理，消除电机定子电流中产生共振频率的谐波，从而抑制在驱动负载时产生的机械共振。每个pwm斩波对应一个死区时间，如死区时间可以按4.0μs、4.1μs、4.2μs、4.3μs、4.4μs、4.5μs、4.4μs、4.3μs、4.2μs、4.1μs、4.0μs周期性变化。载波频率10k时可变死区时间波形如图9所示，未加周期性死区时间的a相电流谐波分析如图10所示，加入周期性变化死区时间，a相电流谐波分析如图11所示。(3)dsp的pwm模块产生三对六路死区时间按周期性变化的pwm斩波信号，经电路处理后，触发igbt门极。dsp输出的pwm信号为3.3v，需经驱动电路提高驱动能力来触发igbt门极。igbt根据六路pwm脉冲信号进行导通与关断控制，驱动电机运行。本发明采用tms320f2812作为主控芯片，主程序流程如图12所示，其控制过程按以下步骤执行：步骤一、系统初始化；步骤二、初始化定时器t1、t2；步骤三、使能通用定时器t1下溢中断(主中断)和通用定时器t2的cap3中断；步骤四、初始化pwm模块、qep模块、adc模块、软启动模块、id、iq电流和速度调节器模块；步骤五、中断等待；步骤六、t1中断服务子程序；步骤七、结束。如图13所示，步骤六中t1中断处理过程按以下步骤执行：步骤1、保护现场并清中断标志位；步骤2、读ad采样值，相电流及母线电压；步骤3、运行clark变换及park变换；步骤4、执行电流pid控制算法；步骤5、若电流正常，执行6；否则执行11；步骤6、运行ipark变换；步骤7、运行死区时间周期性变化的空间电压矢量模块；步骤8、运行速度模块，若速度正常执行9，否则执行11；步骤9、更新驱动信号和svpwm参数步骤10、恢复现场跳出中断，执行12；步骤11、封锁pwm脉冲，并显示错误信号；步骤12、返回主函数。死区时间周期性变化的空间电压矢量模块程序流程图如图14所示，产生的马鞍形调制波则如图15所示。步骤一、中断开始；步骤二、uduq经反park变化，得到uαuβ；步骤三、确定uref所在扇区n；步骤四、由n得到的主矢量，写入actr中；步骤五、由n查表求电压矢量作用时间t1t2；步骤六、由t1t2计算发生比较匹配的值；步骤七、往比较寄存器cmprx中写入值；步骤八、配置dbtcona设置死区时间；步骤九、中断返回。以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。当前第1页12