变频器死区钳位补偿方法以及补偿系统与流程

1.本申请涉及变频器技术领域，尤其涉及一种变频器死区钳位补偿方法以及系统。


背景技术：

2.在变频器三相逆变桥pwm驱动中，为了防止上下桥臂直通出现短路故障，通常在其pwm驱动波形中插入一段死区时间。死区的存在将导致输出电压与指令电压存在偏差，在无传感器矢量控制场合，通常需要用电机指令电压重构实际输出电压去估算转子磁场信息，在低速运行中，电机指令本身就比较小，该误差将对磁链观测环节产生不利影响。另一方面死区导致电机输出电压和电流产生畸变，导致零电流钳位现象，从而使电机转矩脉动增大，这种现象在电机低速运行时影响更加严重。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种变频器死区钳位补偿方法以及补偿系统。
4.第一方面，本申请提供了一种变频器死区钳位补偿方法，所述方法包括：
5.获取任一相当前电流周期内的变频器实际死区时长；
6.获取所述相当前电流周期内的电机功率因数角，以及获取所述电机功率因数角在不同角度范围所对应的补偿电压值；
7.获取电感值，所述电感值为预设值；
8.根据所述补偿电压值、所述实际的死区时长以及所述电感值，获取与所述电机功率因数角在不同角度范围相对应的钳位补偿电流值；
9.获取所述当前电流周期内的电流幅值；
10.根据所述钳位补偿电流值以及所述电流幅值的比值，获取钳位矢量电流补偿角度；
11.根据所述实际死区时长以及载波周期时长获取当前补偿占空比；
12.根据所述钳位矢量电流补偿角度，以及所述当前补偿占空比，
13.获取与所述相电流矢量角度范围相对应的所述当前补偿占空比的补偿值，
14.所述补偿值在不同的所述相电流矢量角度范围内与所述相电流矢量角度呈线性关系，所述线性关系包括：
15.当
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0时，
16.当π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π时，
17.其中，d
t
为所述当前补偿占空比，d
comp
为所述当前补偿占空比的补偿值，θ
i
为所述相电流矢量角度，θ
comp
为所述钳位矢量电流补偿角度。
18.可选地，所述方法还包括：若所述当前补偿占空比的补偿值为负值，则所述相电压
补偿趋势为在当前相电压的基础上减小；
19.若所述当前补偿占空比的补偿值为正值，则所述相电压补偿趋势为在当前相电压的基础上增大。
20.可选地，所述获取任一电流周期内的变频器实际死区时长，包括：
21.获取预设的所述变频器的死区时长；
22.获取导通功率器件的所需时长和关闭所述功率器件的所需时长，
23.根据所述导通功率器件的时长和所述关闭功率器件的时长，获取所述功率器件的导通与关闭所需时长的时长差；
24.根据所述死区时长、所述时长差，获取所述实际的死区时长。
25.可选地，所述获取所述相电流周期内的电机功率因数角，包括：
26.获取所述相电流的矢量角度；
27.获取所述相电压的矢量角度；
28.根据所述相电压的矢量角度和所述相电流的矢量角度，获取所述电机功率因数角。
29.可选地，所述补偿方法还包括，在所述电流周期内，将三相相电压依次按照所述补偿方法进行钳位补偿。
30.第二方面，本申请提供了一种变频器死区钳位补偿系统，所述系统包括：
31.参数获取模块，用于获取任一相电流周期内的变频器实际的死区时长，
32.用于获取所述相电流周期内的电机功率因数角，以及获取所述电机功率因数角在不同角度范围所对应的补偿电压值，
33.还用于获取所述预设电感值以及获取当前相电流值；
34.钳位补偿模块，用于根据所述补偿电压值、所述实际的死区时长以及所述预设电感值，获取与所述电机功率因数角在不同角度范围相对应的钳位补偿电流值；
35.所述参数获取模块还用于获取所述电流周期内的电流幅值，根据所述钳位补偿电流值以及所述电流幅值的比值，获取钳位矢量电流补偿角度；
36.所述钳位补偿模块，还用于根据所述实际死区时长以及载波周期时长获取当前补偿占空比；还用于根据所述钳位矢量电流补偿角度，以及所述当前补偿占空比，获取与所述相电流矢量角度范围相对应的所述当前补偿占空比的补偿值，
37.所述补偿值在不同的所述相电流矢量角度范围内与所述相电流矢量角度呈线性关系，所述线性关系包括：
38.当
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0时，
39.当π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π时，
40.其中，d
t
为所述当前补偿占空比，d
comp
为所述当前补偿占空比的补偿值，θ
i
为所述相电流矢量角度，θ
comp
为所述钳位矢量电流补偿角度。
41.可选地，所述钳位补偿模块还用于，若所述当前补偿占空比的补偿值为负值，则所述相电压补偿趋势为在当前相电压的基础上减小；
42.若所述当前占空比的补偿值为正值，则所述相电压补偿趋势为在当前相电压的基
础增加。
43.可选地，所述参数获取模块，用于获取预设的所述变频器的死区时长；以及用于获取导通功率器件的所需时长和关闭所述功率器件的所需时长，
44.根据所述导通功率器件的时长和所述关闭功率器件的时长，获取所述功率器件的导通与关闭所需时长的时长差；
45.根据所述死区时长、以及所述时长差，获取所述实际的死区时长。
46.可选地，所述参数获取模块还用于，获取所述相电流的矢量角度；
47.获取所述相电压的矢量角度；
48.根据所述相电压的矢量角度和所述相电流的矢量角度，获取所述电机功率因数角。
49.可选地，所述钳位补偿模块还用于，在所述电流周期内，将三相相电压依次按照所述补偿方法进行钳位补偿。
50.本申请提供了一种变频器死区钳位补偿方法，通过获取任一相电流周期内的变频器实际死区时长，以及获取所述相电流周期内的电机功率因数角，以及获取所述电机功率因数角在不同角度范围所对应的补偿电压值、电感值，获取与所述电机功率因数角在不同角度范围相对应的钳位补偿电流值，根据所述钳位补偿电流值以及所述电流幅值的比值，获取钳位矢量电流补偿角度；根据所述实际死区时长以及载波周期时长获取当前补偿占空比；根据所述钳位矢量电流补偿角度，以及所述当前补偿占空比，获取与所述相电流矢量角度范围相对应的所述当前补偿占空比的补偿值，对于变频器死区钳位超前补偿，且所述补偿值在不同的所述相电流矢量角度范围内与所述相电流矢量角度呈线性关系，有效抑制了电流过零时的钳位现象，提高变频器输出电流质量以及电机低速控制性能。
附图说明
51.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1为本发明实施例中变频器死区钳位补偿方法流程图；
54.图2为本发明实施例中变频器三相逆变桥结构示意图；
55.图3为本发明实施例中a相电流由负到正过零点时钳位示意图；
56.图4为本发明实施例中a相电流由正到负过零点时钳位示意图；
57.图5为本发明实施例中占空比补偿波形图；
58.图6为本发明实施例中死区钳位补偿后的波形图；
59.图7为本发明实施例中变频器死区钳位补偿系统结构示意图。
具体实施方式
60.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
61.参照图1，在本申请的实施例中，提供一种变频器死区钳位补偿方法，包括：
62.步骤101：获取任一相电流周期内的变频器实际死区时长；
63.步骤102：获取相电流周期内的电机功率因数角，以及获取电机功率因数角在不同角度范围所对应的补偿电压值，获取电感值；
64.步骤103：根据补偿电压值、实际的死区时长以及预设电感值，获取与电机功率因数角在不同角度范围相对应的钳位补偿电流值；
65.步骤104：获取电流周期内的电流幅值；
66.步骤105：根据钳位补偿电流值以及电流幅值的比值，获取钳位矢量电流补偿角度；
67.步骤106：根据实际死区时长以及载波周期时长获取当前补偿占空比；
68.步骤107：根据钳位矢量电流补偿角度，以及当前补偿占空比，获取与相电流矢量角度范围相对应的当前补偿占空比的补偿值，该补偿值在不同的相电流矢量角度范围内与相电流矢量角度呈线性关系，该线性关系包括：
69.当
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0时，
70.当π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π时，
71.其中，d
t
为当前补偿占空比，d
comp
为当前补偿占空比的补偿值，θ
i
为相电流矢量角度，θ
comp
为钳位矢量电流补偿角度。
72.在本申请的实施例中，参照图2、图3、图4，图2为变频器三相逆变桥，图3为a相电流由负到正过零点的电流钳位示意图；
73.死区是为了防止上下桥臂功率器件由于开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段，在变频器里一般是指功率器件输出电压、电流的“0”区；参照图3，a和c时刻之间为实际死区时间。
74.在本申请的实施例中，在a～b段，vt4关断，i
a
从d1续流，a点与正母线相连，实际输出电流i
a
和实际输出电压u
an
与理想下的电流电压相等，没有误差。在b时刻，i
a
降为0。在b～c段，理想情况下，vt1导通，a点与正母线相连，理想电流由0开始往正方向增长。实际由于死区的原因，vt1此时关断，因此实际电流i
a
被钳位在0，并且a此时悬空，实际输出电压u
an
等于绕组a上的反电势。即bc段由于钳位导致实际输出电压和电流与理想情况下产生误差。
75.在本申请的实施例中，电机功率因数角因此电压矢量角度θ
v
在0～90
°
之间。当0≤θ
v
＜60
°
时，电压矢量在i扇区，则a相死区时，b，c相均是下桥臂打开，也即b相电流由vt6流过，c相电流从d2续流，此时当60
°
≤θ
v
＜90
°
时，电压矢量在ii扇区，则a相死区时，b相上桥臂打开，c相下桥臂打开，也即b相电流由d3续流，c相电流由d2续流，
在低频时，忽略反电势和电阻压降，理想电压即为死区钳位时的误差电压，也即为钳位时需要补偿的电压。
76.在本申请的实施例中，静止坐标系下的电压表达式为：
[0077][0078][0079]
其中rs为定子电阻，u
α
，u
β
，i
α
，i
β
分别为电机定子在α、β轴下的电压、电流，e
sα
和e
sβ
分别是反电势。
[0080]
在本申请的实施例中，l
σ
对于异步电机来说等于漏感σl
s
，对于表贴式同步电机来说等于q轴电感l
q
。
[0081]
在低频运行时，远大于电阻压降和反电势，可忽略。因此电压方程可近似为设死区开始时刻电流为i
a
，电流降为0时间为δt，则有即在δt＜t
d
(也即)就会发生钳位现象。令根据上述钳位时误差电压表达式，当时，时，因此a相发生钳位电流满足条件为，a相电流由负到正时，
‑
i
th
＜i
a
＜0，a相电流由正到负时0＜i
a
＜i
th
。
[0082]
在本申请的实施例中，通过获取定子侧电流i
a
,i
b
,i
c
，经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电流i
α
，i
β
，获取电流幅值根据电流幅值，获取到钳位矢量电流补偿角度
[0083]
参照图5，图5中x轴表示当前电流周期相电流，y轴表示当前补偿占空比的补偿值；
[0084]
在本申请的实施例中，设电流为i＝i
m
sinθ，过零点时sinθ≈θ，在
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0时，相电流开始从负到正改变极性，根据补偿角度可以得出，此时需要补偿的占空比与相电流矢量角度为线性关系，
[0085]
在本申请的实施例中，在π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π时，相电流开始从正到负改变极性，根据补偿角度可以得出，此时需要补偿的占空比与相电流矢量角度为线性关系，
[0086]
在本申请的实施例中，由于死区效应导致逆变器主电路不能精确的再现脉冲宽度调制发生器所产生的理想波形，使低速轻载时的电压和电流发生畸变，引起转距脉动和谐
波，因此根据上述钳位补偿电流值以及当前相电流幅值，获取钳位矢量电流补偿角度，并根据当前补偿占空比，获取当前补偿占空比的补偿值，并且该补偿比与该相电流矢量角度在不同范围内呈线性关系，进行线性补偿；该当前补偿占空比的补偿值在
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0以及π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π的相电流矢量角度范围的值分别为能够有效抑制电流过零的钳位现象，提高输出电流质量以及电机低速运转性能，减少了补偿过程中电流突变的现象发生，提高补偿过程的可靠性；提高系统的精度；而且在实际数字电路控制中，将补偿电压换算成对应的占空比的补偿形式可减少浮点运算带来的补偿误差。
[0087]
在本申请的实施例中，当
‑
π≤θ
i
＜
‑
2θ
comp
以及0≤θ
i
＜π
‑
2θ
comp
时，对于死区采用常规的占空比补偿方式，进行常规补偿：即在
‑
π≤θ
i
＜
‑
2θ
comp
时，相电流为负，死区的存在导致实际电压偏高，因此采用降低占空比的补偿方式，此时当前补偿占空比的补偿值d
comp
＝
‑
d
t
；在0≤θ
i
＜π
‑
2θ
comp
时，相电流为正，死区的存在导致实际电压偏低，因此采用增加占空比的补偿方式，此时当前补偿占空比的补偿值d
comp
＝d
t
。
[0088][0089]
在本申请的实施例中，若获取到的当前补偿占空比补偿值为正值，则表示需要补偿的电压值是在当前相电压的基础上为增加的趋势；若获取到的当前补偿占空比补偿值为负值，则表示需要补偿的电压值是在当前相电压的基础上为降低的趋势。
[0090]
在本申请的实施例中，参照图6，将根据本方法获取到的补偿时刻以及占空比输入仿真软件，生成如图6所示的电流波形图，获得在电流过零点去除畸变的理想波形，有效的抑制了电流过零点的钳位现象。
[0091]
在本申请的实施例中，获取任一电流周期内的变频器实际死区时长，包括：
[0092]
获取预设的变频器的死区时长；
[0093]
获取导通功率器件的所需时长和关闭功率器件的所需时长，
[0094]
根据导通功率器件的时长和关闭功率器件的时长，获取功率器件的导通与关闭所需时长的时长差；
[0095]
根据死区时长和时长差，获取实际的死区时长。
[0096]
在本申请的实施例中，如图2所示，在a相，功率器件为vt1和vt4，在实际应用中，vt1和vt4的导通和关闭都会存在一定的延迟时间，而且往往延迟时间是不同步的，因此将功率器件的开通与关闭所需时长的差值与预设的变频器死区的时长相加，使死区时长在计算钳位电流值时更加具有参考意义。
[0097]
t
d
＝t
d_set
+t
on
‑
t
off
，其中，t
d
为实际死区时长，t
d_set
为预设的变频器死区时长，t
on
为导通功率器件的所需时长，t
off
为关闭功率器件的所需时长。
[0098]
在本申请的实施例中，获取相电流周期内的电机功率因数角，包括：
[0099]
获取相电流的矢量角度；
[0100]
获取相电压的矢量角度；
[0101]
根据相电压的矢量角度和相电流的矢量角度，获取电机功率因数角。
[0102]
在本申请的实施例中，通过获取定子侧电流i
a
,i
b
,i
c
，经过3/2变换得到两相静止坐标系下的电流i
α
，i
β
，对i
α
，i
β
进行park变换得到旋转坐标系下的电流i
d
，i
q
，为了抑制噪声和高频干扰对i
d
，i
q
进行低通滤波处理。然后根据滤波后电流i
dflt
，i
qflt
获取电流矢量角度其中θ为转子磁链角度，并且θ∈[
‑
π,π)。
[0103]
分别获取i
a
,i
b
,i
c
三相定子电流的相位角度，三相定子电流的相位角度，
[0104]
获取电压矢量角度其中u
d
和u
q
分别为d，q轴电压，获取电机功率因数角
[0105]
在本申请的实施例中，通过将三相电流变换到两相旋转坐标系，可以通过获取电流矢量角来获取三相电流的极性。
[0106]
在本申请的实施例中，在电流周期内，将三相相电压依次按照该补偿方法进行钳位补偿。
[0107]
在本申请的实施例中，参照图7，本申请提供一种变频器死区钳位补偿系统，该补偿系统包括：参数获取模块301，用于获取任一相电流周期内的变频器实际的死区时长，用于获取相电流周期内的电机功率因数角，以及获取电机功率因数角在不同角度范围所对应的补偿电压值，还用于获取预设电感值以及获取当前相电流值。
[0108]
钳位补偿模块302，用于根据补偿电压值、实际的死区时长以及预设电感值，获取与电机功率因数角在不同角度范围相对应的钳位补偿电流值；
[0109]
参数获取模块还用于获取电流周期内的电流幅值，根据钳位补偿电流值以及电流幅值的比值，获取钳位矢量电流补偿角度；
[0110]
钳位补偿模块，还用于根据实际死区时长以及载波周期时长获取当前补偿占空比；还用于根据钳位矢量电流补偿角度，以及当前补偿占空比，获取与相电流矢量角度范围相对应的当前补偿占空比的补偿值，
[0111]
该补偿值在不同的相电流矢量角度范围内与相电流矢量角度呈线性关系，该线性关系包括：
[0112]
当
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜0时，
[0113]
当π
‑
2θ
comp
≤θ
i
＜π时，
[0114]
其中，d
t
为当前补偿占空比，d
comp
为当前补偿占空比的补偿值，θ
i
为所述相电流矢量角度，θ
comp
为所述钳位矢量电流补偿角度。
[0115]
在本申请的实施例中，通过参数获取模块301获取钳位补偿电流值，由钳位补偿模块302依据获取到的当前补偿占空比的补偿值对于在死区钳位进行提前补偿，有效抑制了电流过零时的钳位现象，提高系统的控制精度以及电机低速运行性能。
[0116]
脉冲宽度调制模块303，用于接收上述当前补偿占空比的补偿值，上述补偿值包括按照上述线性补偿方式和常规补偿方式获取到的补偿值；将该补偿值与当前占空比叠加，获取到下一载波周期的占空比，生成下一载波周期的脉冲宽度，并在下一载波周期调整脉冲宽度。
[0117]
在本申请的实施例中，通过系统中设置的钳位补偿模块302以及脉冲宽度调制模块303，抑制了死区钳位效应带来的电流畸变影响，提升变频器主电路输出的电流质量，进而使电机运行更加平滑。
[0118]
在本申请的实施例中，参数获取模块301，还用于获取预设的变频器的死区时长；以及用于获取导通功率器件的所需时长和关闭功率器件的所需时长，
[0119]
根据导通功率器件的时长和关闭功率器件的时长，获取功率器件的导通与关闭所需时长的时长差；
[0120]
根据死区时长、时长差，获取实际的死区时长。
[0121]
在本申请的实施例中，参数获取模块301还用于，获取相电流的矢量角度；
[0122]
获取相电压的矢量角度；
[0123]
根据相电压的矢量角度和相电流的矢量角度，获取电机功率因数角。
[0124]
在本申请的实施例中，上述补偿系统的钳位补偿模块302还用于，在上述电流周期内，将三相相电压依次按照上述补偿方法进行钳位补偿。
[0125]
图1为一个实施例中补偿方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0126]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0127]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。