一种变频调速逆变器及其死区引起相移补偿方法与流程

本发明涉及变频调速技术领域，具体地，涉及一种变频调速逆变器及其死区引起相移补偿方法，用于变频器精确供电。

背景技术：

变频调速逆变器的后级电路为电压源逆变器，广泛用于工业变频调速、变频家用电器等应用领域，其中包括永磁同步电动机(pmsm)矢量控制系统，作为直流电压供电的电压源型逆变器(vsi)，在同一桥臂上下功率开关的工作状态切换时，需要设置足够长的死区时间，以防止桥臂直通造成直流电源短路而引起功率开关过流毁损。

死区时间的加入会引起一些偏离理想调制的问题，截止目前，人们主要关注的问题是：(1)同样调制度情况下，输出相电压(或线电压)基波有效值下降，即最大电压利用率下降；(2)输出相电压(线电压)按开关周期求平均值构成的波形发生畸变，即实际输出基波相电压(或线电压)发生畸变，引起电动机电流畸变和转矩脉动；

期望基波：输出频率为期望频率的输出相电压(或线电压)；

实际基波：按开关周期求平均值的输出相电压(或线电压)，在具有死区或控制不对称时会包含期望基波和各次谐波电压；

同一桥臂上下功率开关的工作状态切换时，死区注入的方法主要有三种：

(1)开通延时法(ondelaymethod)，即功率开关的驱动脉冲上升沿延时一个死区时间出现，驱动脉冲下降沿保持不变；

(2)关断提前法(offdelaymethod)，即功率开关的驱动脉冲下降沿提前一个死区时间出现，驱动脉冲上升沿保持不变；

(3)电流极性法(on/offdelaymethod)，当负载电动机电流为正极性(流入电动机定子)时，上臂功率开关的驱动脉冲上升沿延时一个死区时间出现，同时其下降沿提前一个死区时间出现，下臂功率开关的驱动脉冲波形保持不变。当负载电动机电流为负极性(流出电动机定子)时，下臂功率开关的驱动脉冲上升沿延时一个死区时间出现，同时下降沿提前一个死区时间出现，上臂功率开关的驱动脉冲波形保持不变。

经过分析，可知开通延时法与关断提前法都会带来各种死区效应，即死区时间引发的不利影响，同时鉴于关断提前法具有滞后性，不便于电路实现和软件编程，因而实际中较少使用；电流极性法能够消除多种死区效应，但是需要检测负载电动机定子电流极性，不仅增加成本，而且电流过零处理非常麻烦，尤其在小电流情况下尤为严重。但是开通延时法具有成本低、通用强以及编程容易等优点，因此被广泛采用。

为抑制死区效应，许多技术文献都给出了相应改进的调制策略，主要是补偿基波电压有效值损失和纠正实际基波电压的波形，其中包括以下三个现有技术参考文献。

参考文献1：刘超，张军，刘世俊，葛悦.永磁同步伺服控制系统死区效应补偿方法.微电机.2011，44(12)：60-63.利用平均电压误差补偿电压分量，以此补偿死区效应。

参考文献2：许嘉旻，徐国卿，康劲松.刘基于永磁同步电机的svpwm死区分析与补偿.电气传动.2007，37(2)：29-31.利用三相负载电流极性组合进行三相输出电压补偿，以此抑制死区效应。

参考文献3：朱渊渤，白瑞林，吉峰，王长江.指数规则的永磁同步电机逆变器死区效应补偿.电力电子技术.2012，46(10)：103-105.根据补偿电压与负载电流之间的关系在小电流时准确补偿畸变电压，以此抑制死区效应。

遍查现有相关技术领域的现有技术参考文献，没有发现对以下问题的探索：死区效应中应该包括的期望基波电压相移问题，即该相移使得负载电动机供电得到的实际基波电压(实际基波)初相偏离，期望基波电压随之产生相移，造成调速上的差拍，尤其对永磁同步电动机(pmsm)转子位置测量带来本质上的误差，影响调速精度，该问题值得研究。

经过大量仿真分析和定性分析，死区引起实际基波电压中所含期望基波电压相移问题与以下多种因素相关：

(1)死区时间：死区越长，超前相移越大；

(2)采样方式：相比自然采样，采用对称规则采样方式时，相移更大；

(3)期望输出电压频率：期望输出电压频率越高，超前相移越大；

(4)开关频率：开关频率越高，则负载角越大，超前相移越大；

(5)调制度大小：调制度越高，则负载越重，超前相移越小；

(6)死区注入方式：开通延时法和关断提前法使得期望输出电压基波相位超前，采用电流极性法则不改变期望输出电压基波相位；

(7)调制算法：采用开通延时法和关断提前法时，各种spwm和svpwm时均引起超前相移；

可见，死区引起实际输出电压基波相移超前问题非常复杂，尚不能获得解析解或闭合解。

此外，在采用数字编程手段实现逆变器的调制算法(spwm和svpwm)时，在驱动脉冲生成方面，都是采取规则采样法，而且需要在前一个开关周期或前半个开关周期中计算完成有关数据，如脉宽等，在紧接着的下一个开关周期中使用，因此在这一点上也会出现输出电压控制实时性差一拍(即一个开关周期)的问题，该问题也引起实际输出电压基波相移问题。对于此，有些技术文献采用无差拍控制思想，预测出下一个开关周期中的脉冲宽度，在控制上具有一定的实时性，但是作为预测控制，就会存在一些偏差，尤其开关周期较长和负载波形频繁变化时，spwm或svpwm调制效果相应减弱。

综合以上，可以针对以上两种情况，即(1)差拍引起输出电压基波相位滞后；(2)死区注入引起输出电压基波相位超前，设计合理的补偿算法，使得实际输出电压基波相位等于期望输出电压基波相位，在相位方面不出现偏差，实现完美相位控制，这一点非常有利于pmsm转子位置的准确测量。但是到目前为止，还没有出现上述相应的补偿方法，也没有发现同本发明类似技术的说明或报道，以及国内外类似的资料。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种变频调速逆变器及其死区引起相移补偿方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，包括差拍引起相移计算过程、死区引起相移计算过程以及基波相移补偿过程；其中：

所述差拍引起相移计算过程，包括：

-确定逆变器开关周期ts；

-确定逆变器死区时间td；

-确定电压源型逆变器pwm驱动信号生成需要的延迟开关周期数ns；

-根据确定的开关周期ts以及延迟开关周期数ns，计算ns个开关周期差拍引起的基波电压滞后相移θ1＝-nsts/to·360°；其中，to为输出电压周期，即to＝1/fo，fo为电网电压频率；

所述死区引起相移计算过程，包括：

-确定逆变器期望输出电压频率fo；

-根据期望输出电压幅值和期望输出电压频率fo，确定调制度m；

-根据确定的期望输出电压频率fo和调制度m，获取死区时间td引起的期望输出电压基波超前相移θ2；

-计算期望输出电压基波总相移θ3＝θ1-θ2；

所述基波相移补偿过程，包括：

-调用永磁同步电机(pmsm)控制程序，检测永磁同步电机定子三相瞬时电流ia、ib、ic和永磁同步电机转速及转子位置，经clark变换和park变换后得直轴电流id和交轴电流iq；

-根据直轴电流id和交轴电流iq得到αβ坐标系下目标相电压分量相位其中，j为虚数单位，θ4为目标相电压相角；

-改写αβ坐标系下目标相电压分量相位为对目标相电压进行补偿；

-根据改写后的目标相电压分量相位调用永磁同步电机控制程序中的svpwm或spwm程序产生逆变器驱动信号来控制永磁同步电机。

优选地，根据期望输出电压幅值和期望输出电压频率fo，确定调制度m，包括：

设定基准频率fob，当fo≤fob时，代表永磁同步电机恒转矩工作区间；当fo＞fob时，代表永磁同步电机恒功率工作区间；逆变器直流电压越高，基准频率fob越高，反之越低；当fo＞fob时，输出电压达到最大，即调制度m＝1；当fo≤fob时，输出电压随着期望输出电压频率fo增加而增加，调制度m与期望输出电压幅值成正比。

优选地，所述获取死区时间td引起的期望输出电压基波超前相移θ2，包括：

对调制度m在取值范围内进行等分取值，对于每一个调制度，在可能对应的期望输出电压频率范围内，逐个频率进行仿真分析，获得输出电压基波超前相移的区域，即期望输出电压基波超前相移θ2。

优选地，采用matlab/simulinkfft工具计算获得输出电压基波超前相移的区域。

优选地，采用插值方法，形成超前相移θ2与频率fo和调制度m的二维插值曲面，通过拟合和插值方法，获得不同频率fo和调制度m对应的死区时间td引起的超前相移θ2。

优选地，所述得到αβ坐标系下目标相电压分量相位的方法为：

通过电压电流调节器和坐标反变换，根据直轴电流id和交轴电流iq计算得到αβ坐标系下目标相电压分量usαref和usβref，再对αβ坐标系下目标相电压分量usαref和usβref进行极坐标变换得目标相电压相位

优选地，所述根据补偿后的目标相电压，调用永磁同步电机控制程序中的svpwm或spwm程序产生逆变器驱动信号来控制永磁同步电机的方法为：

对改写后的目标相电压相位进行反极坐标变换，得到补偿后的αβ坐标系下目标相电压分量u′sαref和u′sβref，调用永磁同步电机控制程序中的svpwm或spwm程序，根据补偿后的目标相电压分量u′sαref和u′sβref产生逆变器控制信号来控制永磁同步电机。

根据本发明的另一个方面，提供了一种变频调速逆变器，所述变频调速逆变器采用上述任一项所述的变频调速逆变器死区引起相移补偿方法对基波电压相位进行补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了现有技术中未研究的逆变器死区效应中包含的期望基波电压相移问题，填补了相关技术的空白。

2、本发明解决了变频调速系统中逆变器差拍引起的输出电压基波相位滞后问题。

3、本发明实现了实际输出电压基波相位基本等于期望输出电压基波相位，在相位方面不出现偏差，实现完美相位控制，大大提高了永磁同步电机(pmsm)变频调速的控制精度，尤其是提高了pmsm转子位置测量精度。

4、本发明与传统死区补偿方式相比，不需要检测负载电动机定子电流极性，不存在电流极性判断带来的误差。

5、本发明通过差拍引起相移计算、死区引起相移计算和基波相移补偿过程，在传统pmsm矢量控制系统中进行死区补偿，实现逆变器实际输出电压基波相位基本等于期望输出电压基波相位，在相位方面不出现偏差，实现完美相位控制，有利于pmsm转子位置的精确测量。

6、本发明具有方法步骤精简、逻辑清晰、可提高pmsm的控制精度等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中所提供的一种变频调速逆变器死区引起相移补偿方法的流程示意图；

图2为实施本发明实施例所提供的变频调速逆变器死区引起相移补偿方法的pmsm控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，是一种变频调速逆变器pwm调制算法死区注入引起输出电压基波超前相移、调制开关周期差拍引起输出电压基波滞后相移的补偿方法。

如图1所示，变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，包括：

步骤1，差拍引起相移计算：

-确定逆变器开关周期ts；

-确定逆变器死区时间td；

-确定电压源型逆变器pwm驱动信号生成需要的延迟开关周期数ns；

-根据确定的开关周期ts以及延迟开关周期数ns，计算ns个开关周期差拍引起的基波电压滞后相移θ1＝-nsts/to·360°；其中，to为输出电压周期，即to＝1/fo，fo为电网电压频率；

其中，计算开关周期差拍引起的基波电压滞后相移θ1的方法为：

在电压源型逆变器pwm驱动信号生成时，一般需要延时一个开关周期或半个开关周期，考虑到延时一个开关周期发送pwm驱动脉冲，主要引起基波一个开关周期对应的纯滞后相移，因此可以采用直接调整给定(或原有控制策略计算得到的)控制信号相位而进行补偿控制方法。

假设开关周期为ts，期望输出电压频率为fo，延时开关周期数目为ns，则ns个开关周期引起基波电压滞后相移为：

θ1＝-nsts/to·360°(1)

一般情况下，nsts为固定值，则θ1与期望输出频率fo成正比，所以期望输出频率较高时影响严重，低频输出时影响可以忽略不计。

例如，当ns＝1，ts＝125μs，θ1＝-125e^-6fo·360°，θ1＝-125e^-6·50·360°＝-2.25°。

步骤2，死区时间td引起的相移计算：

-确定逆变器期望输出电压频率fo；

-根据期望输出电压幅值和期望输出电压频率fo，确定调制度m；

-根据确定的期望输出电压频率fo和调制度m，获取死区时间td引起的期望输出电压基波超前相移θ2；

-计算期望输出电压基波总相移θ3＝θ1-θ2。

其中，调制度m和基波超前相移θ2的确定方法为：

考虑到对于某一具体的电动机变频调速系统，一般而言，以下一些电量或参数事先已经确定，包括：功率电路型式(如两电平vsi)、直流电压平均值(如538.79v)、调制算法(如spwm或svpwm)、负载性质(如电动机的阻感串联+反电动势负载)、开关频率(如8khz)、死区注入方式(如延时开通或提前关断)、死区时间(如1.5～2μs)，但是鉴于变频调速需要，期望输出频率和调制度是不断变化的，而且调制度为期望输出频率的函数。为此，可以借助matlab/simulink等仿真分析软件，建立实际三相电压源型逆变器(vsi)-电动机传动系统的仿真分析平台，尤其将不同期望输出频率时传动系统输出功率建立准确的对应关系。仿真分析时，首先对调制度m进行取值，调制度m的范围在0到1之间，而并网逆变器中m一般都在0.75以上，因此，对调制度m在0.75到1之间按照10等分取值，即m＝0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，也可以进一步细分，尤其在常用范围内，例如对于变频空调而言，m＝0.8左右和m＝0.2左右。其次，对于每一具体的m，在可能对应的期望输出频率范围内，仿真，逐个频率地进行仿真分析，借助matlab/simulinkfft工具获得输出电压基波超前相移，如下表1所示，表1中，fo为期望输出电压频率，m为调制度，“√”为需要仿真计算得到超前相移θ2的区域。

表1超前相移与期望输出电压频率、调制度的关系

表1中，设定fo＝50hz时为基准频率fob，即在该频率及之下(即fo≤fob)代表永磁同步电机大致恒转矩工作区间，在该频率之上(即fo＞fob)代表永磁同步电机恒功率工作区间，逆变器直流电压越高，基准频率越高，反之越低。在基准频率及之上，输出电压达到最大，即m＝1；在基准频率及之下，输出电压随着期望输出电压频率fo增加而增加，m与期望输出电压幅值成正比。因此，可以根据期望输出电压幅值和期望输出频率来确定调制度m。

当fo≤fob时，u＝k1·fo+uo，其中，u表示输出电压幅值，k1表示待定系数，uo表示电机定子电压补偿值。当fo＞fob时，u＝udc，其中，udc表示直流母线电压幅值。类似地，当fo≤fob时，m＝k2·fo+mo，其中，k2表示待定系数，mo表示待定系数。当fo＞fob时，m＝1。对于不同的三相vsi-电动机传动系统，可以大致计算出斜率k1与k2、初始值uo和mo，斜率k1与k2为正值，mo可以为正或负且接近于零。

实际中，在可取范围内，m与fo为任意值，因此需要对表1中的m和fo进行足够的细分，或者采用插值方法，形成超前相移与fo、m的二维插值曲面，可以通过拟合和插值方法，直接查表获得不同fo、m对应的超前相移θ2。

步骤3，基波相移补偿：

-调用永磁同步电机(pmsm)控制程序，检测永磁同步电机定子三相瞬时电流ia、ib、ic和永磁同步电机转速及转子位置，经clark变换和park变换后得直轴电流id和交轴电流iq；

-通过电流调节器和坐标反变换根据直轴电流id和交轴电流iq得到αβ坐标系下目标相电压分量相位其中，j为虚数单位，θ4为目标相电压相角；

-改写αβ坐标系下目标相电压分量相位为对目标相电压进行补偿；

-根据改写后的目标相电压分量相位为调用永磁同步电机控制程序中的svpwm或spwm程序产生逆变器驱动信号来控制永磁同步电机。

图2为实施本发明实施例所提供的变频调速逆变器死区引起相移补偿方法的pmsm控制系统结构示意图。如图2所示，根据原有pmsm控制程序，检测pmsm定子三相瞬时电流ia、ib、ic和pmsm转速及转子位置后，经clark变换和park变换后得直轴电流id和交轴电流iq，再通过电压电流调节器(控制器)和坐标反变换得到αβ坐标系下目标相电压分量usαref、usβref。随后根据本发明实施例提出的死区相移补偿方法，首先执行如图1所示的步骤1和步骤2得到期望输出电压基波总相移θ3；然后执行如图1所示的步骤3，即首先对αβ坐标系下目标相电压分量usαref、usβref进行极坐标变换得目标相电压相位再对目标相电压进行相移补偿，即改写目标相电压相位为然后进行反极坐标变换得补偿后的αβ坐标系下目标相电压分量u′sαref、u′sβref，最后调用pmsm控制程序中的svpwm或spwm程序根据u′sαref、u′sβref产生逆变器控制信号来控制pmsm。

基于本发明实施例提供的变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，本发明实施例同时提供了一种变频调速逆变器，变频调速逆变器采用变频调速逆变器死区引起相移补偿方法对基波电压相位进行补偿。

本发明上述实施例提供的一种变频调速逆变器及其死区引起相移补偿方法，变频调速逆变器死区引起相移补偿方法包括差拍引起相移计算、死区引起相移计算和基波相移补偿过程。通过在传统pmsm矢量控制系统中加入本发明实施例所提供的变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，可使逆变器实际输出电压基波相位基本等于期望输出电压基波相位，在相位方面不出现偏差，实现完美相位控制，有利于pmsm转子位置的精确测量。本发明提出的补偿方法步骤精简，逻辑清晰，可提高pmsm的控制精度。

本发明上述实施例提供的一种变频调速逆变器死区引起相移补偿方法，可以应用于pmsm变频调速，实现完美相位控制，可大大提高pmsm转子位子测量精度及控制精度，且本方法步骤精简，节省成本，实用性强。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。