變頻器的電流狀態判斷及死區補償方法
2023-06-05 10:07:26
專利名稱：變頻器的電流狀態判斷及死區補償方法
技術領域：
本發明涉及一種電流狀態判斷方法及其死區補償方法，屬於電力電子技術領域。
背景技術：
變頻器等逆變電源的主電路是由開關器件所組成的橋式電路。橋式電路中一般採用脈寬調製的方法進行控制，即上、下橋臂的器件輪流開通，以實現對輸出電壓、電流的控制。由於器件存在延時，且開通延時和關斷延時不同，因此為了避免上、下橋臂的器件同時導通而使得器件損壞，在各種採用脈寬調製方法的變頻電源中，均設有死區時間，即將驅動信號的上升沿向後延遲一定時間。在死區時間內，上、下橋臂的兩個開關管都處於關斷狀態，輸出電流的極性決定各器件的反並二極體是否進入續流狀態，而輸出電壓完全取決於輸出電流的極性，即輸出電壓不可控的，造成了輸出電壓與指令電壓之間存在誤差。PWM逆變器的死區效應對交流電機調速性能的影響是非常明顯的。在傳統的恆壓頻比標量控制系統中，當逆變器參考電壓按照正弦波給定時，死區效應會使實際輸出電壓會根據不同的負載情況產生不同的基波和諧波畸變，從而造成不同程度的定子電流畸變，特別是在電流過零點附近還可能會出現更嚴重的零電流鉗位現象。定子電流的畸變會導致轉矩波動，甚至破壞整個調速系統的穩定性， 所以必須對死區效應進行補償。矢量控制中用於磁鏈觀測和轉速估算的定子電壓通常是使用直流電壓和逆變器電壓給定值重構獲得的，死區效應會影響磁鏈觀測和轉速估算的準確性，所以進行死區補償也是非常重要的。在現有的變頻器中，一般都有對系統進行死區補償。一種補償方法為檢測死區時間內的電流，依據輸出電流的極性來確定死區補償的方向。在該方法中，電流檢測基本上是通過霍爾元件採樣，採樣過程中不可避免地摻進了幹擾信號，從而影響補償效果，甚至是惡化效果，尤其是在電流往復過零階段。另一種死區補償方法是檢測死區時間內的輸出電壓。該方法通過增加硬體來檢測死區時間內的輸出相電壓，再與指令電壓相比較，其差值作為死區補償的依據。該方法中，輸出相電壓較難精確獲得，而且需依靠複雜的硬體電路，並且該方法佔用大量的CPU，而且延時情況較嚴重。還有一種死區補償方法為檢測IGBT(功率半導體開關)的CE (集電極、發射極)兩端的壓降。該方法通過增加硬體，獲得死區時間內IGBT的CE兩端的壓降，從而判斷該IGBT的反並二極體是否在死區時間內導通，從而確定死區補償的方向。該方法中，通過增加硬體檢測CE電壓，而且用到的硬體都是快速器件， 這將大大提聞製造成本。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種用於變頻器等逆變電源的電流狀態判斷方法，以及相應的死區補償方法。該方法克服了直接檢測電流的死區補償法的弊端，採用簡單的硬體，不僅能夠判斷出電流的瞬時極性，也能夠確定電流是否處於反覆過零階段，而且還區分了不同電路條件下電流過零階段的不同狀態。結合這種電流狀態判斷結構，本發明也進一步提出了根據不同電流極性以及過零狀態選擇最佳補償量的死區補償方案。由於變頻器等逆變電源基本上都是用於電機控制，而電機系統的慣性非常大，因此，輸出電流在過零階段往往會出現多次往復過零的現象，而且在相鄰的電機轉動周期內， 輸出電流過零次數，即電流過零周期數，相差較少。於是可以統計往復過零階段裡的電流過零周期數作為下一個周期的電流過零周期數的參考，從而對系統進行更好的死區補償。功率半導體開關的開通延時，遠大於或門傳輸延遲時間與D觸發器的保持時間之和，於是以驅動信號相「或」作為D觸發器的時鐘信號，在時鐘信號的上升沿處，可以鎖存死區時間結束時的輸出電壓情況從而判斷輸出死區時間結束時電流的極性、開關周期內電流是否發生翻轉及其翻轉次數。通常情況下，功率半導體開關的開通延時為幾百ns，或門傳輸延遲時間與D觸發器的保持時間之和為幾十ns。為解決技術問題，本發明的解決方案是提供一種變頻器的電流狀態判斷方法，包括以下步驟(I)將逆變器橋式電路任意一相X相的上、下橋臂的驅動信號gxP、gxN相「或」，作為 D觸發器的時鐘信號CLKx ;利用光耦元件分別對逆變器每一相橋臂的輸出電壓進行隔離取樣，將反映變頻器輸出電壓的邏輯電平Dx，作為D觸發器的輸入信號，獲得D觸發器的輸出
信號Qx ；(2)對D觸發器的輸出信號Qx，每個開關周期Ts內採樣兩次，分別在逆變器該相上管驅動信號有效時間內和下管驅動信號有效時間內分別進行採樣；(3)根據輸出信號Qx的採樣結果，判斷死區時間內輸出電流的極性；判斷方法為〈1>兩次Qx均為高時，代表下橋臂續流二極體導通，輸出電流為正向非過零狀態；〈2>兩次Qx均為低時，代表由上橋臂續流二極體導通，輸出電流為負向非過零狀態；當Qx在上管驅動有效時為高、下管驅動有效時為低，輸出電流為過零A狀態， 此時輸出電流處於過零階段且換流時間不可忽略；當Qx在上管驅動有效時為低、下管驅動有效時為高，輸出電流為過零B狀態， 此時輸出電流處於過零階段且換流時間可忽略。本發明中，所述在逆變器該相上管驅動信號有效時間內分別進行採樣，是在上管驅動信號有效時間的中點時刻和下管驅動信號有效時間的中點時刻分別進行採樣。上管驅動信號和下管驅動信號的中點時刻，分別對應於PWM模塊計時器的零點和頂點，因此可以在該計時器的下溢中斷和周期中斷進行採樣。死區時間開始時的換流過程中，寄生電容只能通過輸出電流進行充放電，在輸出電流過小的過零階段，可能出現死區時間內都無法完成換流的情況，因此會出現以上兩種過零狀態。進一步地，本發明還提供了一種前述方法的變頻器的死區補充方法，該方法用於逆變器的輸出電流過零的補償控制，根據所述四種不同的電流狀態分別設計補償量(I)輸出電流為正向非過零狀態時，將死區補償量設置為固定補償量Ud ；(2)輸出電流處於反向非過零狀態，並將死區補償量設置為固定補償量-Ud ；(3)輸出電流進入過零A狀態後，採用輔助變量nx對開關周期進行計數，並使用輔助變量Fx和Nx作為過零A狀態下死區補償量的參考值；其中Fx為輸出電流的方向標誌，輸出電流為正向時令Fx = 1，輸出電流為反向時Fx = O ;NX為過零A狀態所持續的開關周期總數；由於通常情況下變頻器系統的慣性較大，所以可以認為兩個相鄰的過零狀態所持續的開關周期總數是基本相等的；這樣利用上一個過零狀態所獲得的開關周期總數Nx和當前過零狀態的開關周期計數nx，將死區補償量每開關周期的遞變幅度設計為2UDnx/Nx便可實現在±UD之間的連續過渡；另外,根據Fx可確定電流過零的方向iFx = I時說明輸出電流由正向到反向過零，此時死區補償量應從Ud開始逐周期遞減2UDnx/Nx，直到-Ud為止；當 Fx = O時說明輸出電流由反向到正向過零，此時死區補償量應從-Ud開始逐周期遞增2UDnx/ Nx，直到Ud為止；(4)輸出電流處於過零B狀態時，在每個開關周期內的兩段死區時間對輸出電壓的影響是相互抵消的，此時輸出電壓的脈衝寬度與理想的給定值是相同的，所以將死區補償量設置為O ;所述Ud值為綜合考慮死區時間以及器件的開通延遲時間、關斷延遲時間、導通壓降、反向續流壓降而選取的一個常係數。相對於現有技術，本發明的有益效果在於本發明利用變頻器同橋臂的門級驅動構造時鐘信號，並在該時鐘的邊沿時刻觸發對輸出電壓的採樣。根據採樣序列，不僅能夠判斷出電流極性的正負，還能夠準確判斷出電流是否處於過零階段。共有四種狀態，分別是電流正向、電流負向、電流過零且換流時間不可忽略、電流過零且換流時間可以忽略，進而根據輸出電流狀態來確定死區補償量。特別對電流過零且換流時間不可忽略的狀態，平滑處理死區補償量，最大限度減小死區補償的誤差。本方法可以有效地減小由於電流極性判斷不準及補償不恰當所引起的實際電壓與期望值之間的偏差，從而提高各種逆變電源的工作性能，尤其是變頻器中磁鏈觀測和轉速估算的準確性。
圖I是本發明中死區補償程序流程圖；圖2是本發明提出的電流狀態判斷及死區補償方法的外圍電路結構；圖3是輸出電流在非過零階段時的電流狀態判斷(ix > O)；圖4是輸出電流在非過零階段時的電流狀態判斷(ix < O)；圖5是輸出電流在過零階段且橋臂內換流時間不可忽略時的電流狀態判斷(輸出電流由正向到反向過零)；圖6是輸出電流在過零階段且橋臂內換流時間不可忽略時的電流狀態判斷(輸出電流由反向到正向過零)；圖7是輸出電流在過零階段且橋臂內換流時間可忽略時的電流狀態判斷(輸出電流由正向到反向過零)。圖8是輸出電流在過零階段且橋臂內換流時間可忽略時的電流狀態判斷(輸出電流由反向到正向過零)。
具體實施方式
為了更加清楚地理解本發明的目的、特點和優點，下面將結合附圖對本發明的較佳適用例子進行詳細說明。為了簡化說明，在下文中將針對某些較佳實施例子的細節做進一步的描述以及說明，下文所揭示的內容為本發明的原理，具體流程如圖I所示。如圖2所示為實現本發明的外圍硬體電路，該電路先利用光耦元件分別對逆變器每一相橋臂的輸出電壓Ux進行隔離取樣，獲得取樣信號Dx。然後將該相橋臂的上下管驅動信號gxP、gxN相或作為特定的時鐘信號CLKX，再通過正邊沿觸髮式D觸發器在CLKx的時鐘條件下對Dx進行鎖存。所獲得的鎖存信號Qx即作為該相輸出電流的狀態判斷信號，經I/O 口輸入到微處理器中進行軟體處理。為方便說明，下文中「過零階段」代表電流過零且換流時間不可忽略和電流過零且換流時間可以忽略這兩種時間範圍，每個完整的開關周期內輸出電流都沒有極性的變化的其它時間範圍則以「非過零階段」代表。輸出電流處於非過零階段時，各信號及相應時序如圖3和圖4所示。輸入電壓經光耦採樣後，Ux為高電壓時對SDx的低電平，Ux為低電壓時對SDx的高電平，而高低電壓具體的判斷閾值可根據實際情況通過取樣電阻Rdtx來進行調節。由於採樣時鐘CLKx由gxP 和gxN相或得到，所以在每個開關周期內D觸發器會分別在h、t2時刻對Dx進行兩次鎖存並獲得電流狀態判斷信號Qx，其中h、t2分別對應上、下兩管驅動信號的上升沿。如圖3所示，當ix在整個開關周期內都大於O時，在兩段死區時間以內電流都是通過下橋臂的續流二極體導通的，所以Dx為高電平。當死區時間結束且上管開通後Dx將變為低電平，但由於每個功率半導體開關都有開通延遲時間的存在，在h時刻鎖存得到的 Qx為高電平。由於實際應用中，對於絕大多數器件，產生CLKx信號的或門傳輸延遲時間與D 觸發器的保持時間之和tpg小於，所以能保證判斷結果的正確性。當死區時間結束且下管開通後Dx仍為高電平不變，所以在t2時刻鎖存得到的Qx同為高電平。因此，當ix處於正向非過零階段時，電流狀態判斷信號Qdf始終保持為高電平。這種情況下，補償方法為在下一個開關周期增加一個補償量+UD。同理，當ix處於反向非過零階段時，Qx將始終保持為低電平，如圖4所示。這種情況下，補償方法為在下一個開關周期增加一個補償量_UD。補償量如圖3和圖4中灰色陰影區域所示。在輸出電流處於過零階段且橋臂內換流時間不可忽略的情況為「過零A狀態」，各信號及相應時序如圖5和圖6所示。在圖5中，t0時刻之前輸出電流都處於正向非過零階段，所以Qx —直為高電平。在h &之間輸出電流通過下橋臂二極體續流，輸出電壓為0， 所以在h時刻鎖存獲得的Qx仍為高電平。再經過延遲後上橋臂開關管導通，寄生電容通過上開關管迅速完成充放電，輸出電壓隨即變為uDC。在時刻上開關管關斷，寄生電容通過較小的輸出電流進行緩慢的充放電過程，在t3時刻下管驅動信號的上升沿到來時輸出電壓還未下降到0，因此鎖存獲得的Qx變為低電平。再經過延遲後下橋臂開關管導通，寄生電容通過下開關管迅速完成充放電，輸出電壓隨即變為0，類似於h時刻，在〖4時刻鎖存獲得的Qx又變為高電平。當輸出電流下降到出現反向極性的時候，基於相同的機理 Qx仍然會保持相同的變化規律，如圖5中t5、t6時刻，直到電流繼續下降進入反向非過零階段為止。同理，也可得到輸出電流由反向經過零階段到正向時本電路各信號的時序分布，如圖6中所示。本階段中，死區時間對輸出電壓的影響並不是固定不變的，而是隨輸出電流而連續變化的。當電流由正向到反向過零時，在進入過零階段後死區補償量應該從Ud開始逐開關周期遞減，並在減小到O後繼續逐開關周期反向遞增直到_UD，如圖5和圖6中灰色陰影區域所示。同樣電流由反向到正向過零時死區補償量應從-Ud過渡到UD。 在輸出電流處於過零階段且橋臂內換流時間可忽略的情況為「過零B狀態」，各信號及相應時序如圖7和圖8所示。在圖7中，h時刻之前輸出電流都處於正向非過零階段， 所以Qx—直為高電平。在&時刻之前的死區時間內輸出電流仍然通過下橋臂二極體續流， 輸出電壓為0，所以在h時刻鎖存獲得的Qx也保持為高電平。在h時刻之後由於下橋臂開關管處於開通狀態，輸出電流在下降到O之後還可以繼續通過下開關管反向增大，因此在 t2+toff時刻下開關管關斷後輸出電流通過上橋臂二極體續流，輸出電壓變為uD。，在t3時刻鎖存獲得的Qx變為低電平。此後在輸出電流幅值減小到O之後通過開通的上開關管重新正向上升，所以類似於A時刻的情況在t4時刻鎖存獲得的Qx再次變為高電平。基於相同的機理Qx會保持這樣的變化規律，直到電流繼續下降進入反向非過零階段為止。同理，也可得到輸出電流由反向經過零階段到正向時本電路的工作原理，如圖8中所示。本階段中， 在每個開關周期內的兩段死區時間對輸出電壓的影響是相互抵消的，此時輸出電壓的脈衝寬度與理想的給定值是相同的。因此在這個階段不需要進行死區補償，如圖7和圖8中灰色陰影區域所示，在進入過零階段後死區補償量應為O。
權利要求
1.一種變頻器的電流狀態判斷方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將逆變器橋式電路任意一相X相的上、下橋臂的驅動信號gxP、gxN相「或」，作為D觸發器的時鐘信號CLKx ;利用光耦元件分別對逆變器每一相橋臂的輸出電壓進行隔離取樣， 將反映變頻器輸出電壓的邏輯電平Dx，作為D觸發器的輸入信號，獲得D觸發器的輸出信號 Qx ；(2)對D觸發器的輸出信號Qx，每個開關周期Ts內採樣兩次，分別在逆變器該相上管驅動信號有效時間內和下管驅動信號有效時間內分別進行採樣；(3)根據輸出信號Qx的採樣結果，判斷死區時間內輸出電流的極性；判斷方法為〈1>兩次Qx均為高時，代表下橋臂續流二極體導通，輸出電流為正向非過零狀態；兩次Qx均為低時，代表由上橋臂續流二極體導通，輸出電流為負向非過零狀態；當Qx在上管驅動有效時為高、下管驅動有效時為低，輸出電流為過零A狀態，此時輸出電流處於過零階段且換流時間不可忽略；當Qx在上管驅動有效時為低、下管驅動有效時為高，輸出電流為過零B狀態，此時輸出電流處於過零階段且換流時間可忽略。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述在逆變器該相上管驅動信號有效時間內分別進行採樣，是在上管驅動信號有效時間的中點時刻和下管驅動信號有效時間的中點時刻分別進行採樣。
3.一種基於權利要求I所述方法的變頻器的死區補充方法，其特徵在於，該方法用於逆變器的輸出電流過零的補償控制，根據所述四種不同的電流狀態分別設計補償量(1)輸出電流為正向非過零狀態時，將死區補償量設置為固定補償量Ud；(2)輸出電流處於反向非過零狀態，並將死區補償量設置為固定補償量-Ud；(3)輸出電流進入過零A狀態後，採用輔助變量nx對開關周期進行計數，並使用輔助變量Fx和Nx作為過零A狀態下死區補償量的參考值；其中Fx為輸出電流的方向標誌，輸出電流為正向時令Fx = I，輸出電流為反向時Fx = O ;NX為過零A狀態所持續的開關周期總數； 由於通常情況下變頻器系統的慣性較大，所以可以認為兩個相鄰的過零狀態所持續的開關周期總數是基本相等的；這樣利用上一個過零狀態所獲得的開關周期總數Nx和當前過零狀態的開關周期計數nx，將死區補償量每開關周期的遞變幅度設計為2UDnx/Nx便可實現在 ±UD之間的連續過渡；另外,根據Fx可確定電流過零的方向iFx = I時說明輸出電流由正向到反向過零，此時死區補償量應從Ud開始逐周期遞減2UDnx/Nx,直到-Ud為止；當Fx = O時說明輸出電流由反向到正向過零，此時死區補償量應從-Ud開始逐周期遞增2UDnx/Nx，直到Ud為止；(4)輸出電流處於過零B狀態時，在每個開關周期內的兩段死區時間對輸出電壓的影響是相互抵消的，此時輸出電壓的脈衝寬度與理想的給定值是相同的，所以將死區補償量設置為O ;所述Ud值為綜合考慮死區時間以及器件的開通延遲時間、關斷延遲時間、導通壓降、反向續流壓降而選取的一個常係數。
全文摘要
本發明涉及電力電子技術，旨在提供一種變頻器的電流狀態判斷及死區補償方法。該方法包括將逆變器橋式電路任意一相的上、下橋臂的驅動信號相「或」作為D觸發器的時鐘信號；利用光耦元件分別對每一相橋臂的輸出電壓進行隔離取樣，將反映變頻器輸出電壓的邏輯電平作為輸入信號，獲得其輸出信號；對輸出信號每個開關周期內採樣兩次；根據輸出信號採樣結果判斷死區時間內輸出電流的極性。本發明根據採樣序列，不僅能夠判斷出電流極性的正負，還能夠準確判斷出電流是否處於過零階段。可以有效地減小由於電流極性判斷不準及補償不恰當所引起的實際電壓與期望值之間的偏差，從而提高各種逆變電源工作性能，尤其是變頻器中磁鏈觀測和轉速估算準確性。
文檔編號G01R19/14GK102608396SQ20121005095
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者王斯然 申請人:浙江大學