用於變頻器的電流過零檢測及死區補償方法
2023-07-10 08:20:56 1
專利名稱：用於變頻器的電流過零檢測及死區補償方法
技術領域：
本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及一種用於變頻器的電流過零檢測及死區補償方法。
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。死區時間的存在造成了輸出電壓與指令電壓之間 存在誤差，使得輸出電流產生畸變。如果該電源的負載為電機，則會產生脈動轉矩，尤其在 低速運行時，輸出轉矩的帶載能力大大降低，甚至出現帶不動負載的情況。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；另外，霍爾元件的使用大大提高了該變頻器的成本。 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的CE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，這將大大提高製造成本。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。IGBT的開通延時，遠大於D觸發器信號鎖存的延時，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，IGBT的開通延時為幾百ns，D觸發器的延時為幾十ns。
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，提出一種用於變頻器的電流過零檢測，及相應的死區補償方法。為解決技術問題，本發明提出的電流過零檢測方法以及相應的死區補償方法，具體步驟為(1)將上、下橋臂的驅動信號Wx、i相「或」，作為D觸發器的時鐘信號，即作為輸 出電壓採樣的時鐘信號；將變頻器輸出電壓Ux隔離變換得到高低電平SxJf Sx作為D觸 發器的輸入信號，獲得D觸發器的輸出信號Qx ；(2)根據Qx判斷死區時間內輸出電流的極性Qx為邏輯高電平時，即代表下橋臂 續流二極體導通，輸出電流為正；Qx為邏輯低電平時，即代表由上橋臂續流二極體導通，輸 出電流為負；(3)在每個開關周期Ts內，判斷Qx是否翻轉若Qx有發生翻轉，表示在該開關周 期裡，輸出電流有過零；若Qx沒有發生反轉，表示在該開關周期裡，輸出電流沒有過零；(4)依據在每個開關周期Ts內的Qx的翻轉次數Nf，來確定在該開關周期裡輸出 電流的狀態(a)Nf = 0，表示電流沒有過零；(b)Nf = 1，表示電流確實過零，且該電流往復 過零階段在本開關周期內結束；(c) Nf > 1，表示電流處於往復過零階段，下一開關周期電 流繼續過零。作為一種改進，本發明還包括根據步驟⑷所述翻轉次數Nf的三種情況與輸出 電流的正、負極性的邏輯組合，由外圍邏輯電路向控制器發送6種輸出信號；這6種輸出信 號與Nf = 1、Nf > 1情況下連續翻轉開關周期次數N，共同構成輸出電流過零檢測判斷信號。作為一種改進，所述的輸出電流過零檢測判斷信號包括以下情況當輸出電流極 性為負，且Nf = 0，發送信號000，表示電流持續為負；當過零前輸出電流極性為負(M = 0)， 且Nf > 1，發送信號001，表示輸出電流極性處於由負變為正的往復過零階段；當過零前輸 出電流極性為負，且Nf = 1，發送信號010，表示輸出電流結束過零，極性變正；當輸出電流 極性為正，且Nf = 0，發送信號111，表示電流持續為正；當過零前輸出電流極性為正(M = 1)，且Nf > 1，發送信號110，表示輸出電流極性處於由正變為負的往復過零階段；當過零前 輸出電流極性為正，且Nf = 1，發送信號101，表示輸出電流結束過零，極性變負。作為一種改進，另外統計電路處於往復過零階段時的過零周期數N，作為下一電機 轉動周期電流過零階段補償的參考在輸出電流極性由負變為正的往復過零階段，外圍邏 輯電路向控制器發送信號001，過零結束時發送010，統計001以及010的次數，記為N1 ；輸 出電流極性由正變為負的往復過零階段，外圍邏輯電路向控制器發送信號110，過零結束時 發送101，統計110以及101的次數，記為N2。本發明進一步提供了一種基於前述電流過零檢測方法的死區補償方法，輸出電流 未過零時，若電流極性為正，則在下一個開關周期增加一個補償量+K;若電流極性為負，則 在下一個開關周期增加一個補償量-K ；所述K為一個根據變頻器系統特性確定的常係數。本發明中，當第一次檢測到輸出電流有過零時，則判定輸出電流處於往復過零階 段，並在上一電機轉動周期往復過零階段的連續次數N的參考下，對本次往復過零階段進 行死區補償，包括在輸出電流極性由負變為正的往復過零階段中，第η個開關周期的補償量 為CK(N1In)/N1，當檢測到往復過零階段結束時，則本次往復過零階段的死區補償結束，並將此時的η記為N1，作下一電機轉動周期往復過零階段補償計算用；在輸出電流極性由正變為負的往復過零階段中，第η個開關周期的補償量為 +K(N2-2n)/N2,當檢測到往復過零階段結束時，則本次往復過零階段的死區補償結束，並將 此時的η記為N2，作下一電機轉動周期往復過零階段補償計算用；所述η > 0，所述K為一個根據變頻器系統特性確定的常係數。在本發明中，常係數K是一個根據變頻器系統特性確定的常係數。常係數K的確 定需綜合考量死區時間以及器件的開通延遲時間、關斷延遲時間、導通壓降和反向續流壓 降，對此，本領域技術人員可以其熟悉的方式定義一個K的數值。根據死區對於輸出電壓所 造成的實際影響，K值選取應綜合考慮死區時間tdead以及器件的開通延遲時間td。n、關斷延 遲時間td。ff、以及器件的平均導通壓降和反向續流壓降所產生的等效誤差時間tav。n。因此 K的表達式可以表述為(tdead+td。n-td。ff+tav。n)。對於本領域技術人員而言，常係數K的確定 是很常用的一種技術手段，因此本發明不再就此贅述。本發明的有益效果在於本發明克服了直接檢測電流的死區補償法的弊端，並採用簡單的硬體判斷出在死 區時間內輸出電流極性的正負，以及檢查出在一個開關周期內電流是否過零以及過零次 數，另外統計了每次電流往復過零階段的過零周期數N以作為下一周期的參考。該方法能 夠在電流往復過零階段更加精確地對電路進行死區補償，從而減小轉矩脈動，提高系統性 能，尤其是低速運行時的性能。在變頻器等逆變電源中，使用本方法，能極大地避免由於電 流極性檢測不準、電流往復過零階段死區補償不準造成的電流畸變、轉矩脈動，極大地改善 輸出電流的波形使其更加接近正弦波，從而大大提高輸出轉矩，尤其是低速運行時的輸出 轉矩。
圖1是本發明提出的電流過零檢測及死區補償方法的系統框圖。圖2是CPLD內通過Qx來判斷電流處於何種狀態的流程圖。圖3是本發明中輸出電流極性為負且電流處於上升階段時的時序圖。圖4是本發明中輸出電流極性從負變為正時的時序圖。圖5是本發明中輸出電流極性從負變為正的過程即將結束時的時序圖。圖6是本發明中輸出電流極性為正且電流處於上升階段的時序圖。
具體實施例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。但是，下文所揭示的內容為本發明的原理，並不局限於僅此一 例。如圖1所示，該系統由硬體主電路、外圍邏輯電路(如CPLD)、控制系統組成。其中，硬體主電路為用於電機控制的變頻器，為了防止上、下橋臂同時導通，在驅動信號內必須加 入一定的死區時間，在該死區時間內，上、下橋臂的IBGT均關斷，輸出電流ix的極性決定由 哪個二極體續流當ix為正時，由下橋臂二極體續流，輸出電壓二極體為BUS-；相反的，當 ix為負時，由上橋臂二極體續流，輸出電壓Ux為BUS+。電壓隔離採樣為光耦隔離，當Ux為BUS+時，輸出信號Sx為低，當Ux為BUS-時，輸出信號Sx為高。在CPLD中完成D觸發器功 能，將控制系統輸出的驅動信號Wx、Wi相「或」作為D觸發器的時鐘信號，在每個上升沿時， 將Sx信號鎖存從Qx輸出，通過Qx判斷死區時間的電流極性、判斷開關周期內輸出電流極 性是否發生翻轉及翻轉次數，從而判斷電路處於何種狀態，根據不同狀態向控制系統發送 不同的狀態信號Qabc_x，控制系統根據不同的狀態信號Qabc_x選擇不同的補償量。在CPLD內，判斷電路處於何種狀態的流程圖如圖2所示。在每個開關周期判斷Qx 的情況，從而判斷電路所處的狀態，然後向控制系統發送狀態信號，使得控制系統選取不同 的補償量。當輸出電流極性為負且電流未過零時，Qx保持為0，狀態信號為000;當輸出電 流極性由負向正變化時，Qx發生翻轉且翻轉次數為2次，狀態信號為001 ；當輸出電流極性 由負向正變化結束時，Qx翻轉次數為1次，狀態信號為010 ；當輸出電流極性為正且電流未 過零時，Qx保持為1，狀態信號為111 ；當輸出電流極性由正向負變化時，Qx發生翻轉且翻 轉次數為2次，狀態信號為110 ；當輸出電流極性由正向負變化結束時，Qx翻轉次數為1次， 狀態信號為101。死區補償方法控制系統根據從CPLD接受到的狀態信號來選取死區補償量。當輸 出電流未過零時，死區補償方法為當電流極性為正時，則在下一個開關周期增加一個補償 量+K，若電流極性為負，則在下一個開關周期增加一個補償量-K。當輸出電流處於往復過 零階段時，在上一工頻周期的過零開關周期次數N的參考下，對本次往復過零階段進行死 區補償在輸出電流極性由正變為負的往復過零階段中，第n(n ^ 0)個開關周期的補償量 為+K(N2-2n)/N2 ；在輸出電流極性由負變為正的往復過零階段中，第n(n ^ 0)個開關周期 的補償量為^K(N1In)ZN115其中K為一個根據變頻器系統特性確定的常係數。根據死區對於輸出電壓所造成 的實際影響，K值選取應綜合考慮死區時間tdead以及器件的開通延遲時間td。n、關斷延遲時 間td。ff、以及器件的平均導通壓降和反向續流壓降所產生的等效誤差時間tav。n。因此K的
表達式為(tdead+td_on~td_off+tavon)。圖3、圖4、圖5、圖6為輸出電流ix極性從負向正變化時的時序圖。其中，tdelay為 IBGT的開通延時和關斷延時以及電路中其他延時的總延時，tdead為死區時間，Ts為系統的 開關周期，Uref_x為反饋電壓，將反饋電壓同三角波進行比鉸得到理想的驅動信號dx、dx。 添加死區時間tdMd，得到實際的驅動信號Wx、W[。將Wx、相「或」作為D觸發器的時鐘信 號，在每個上升沿(即死區時間結束)時，將電壓信號Sx鎖存輸出到Qx上，。於是當輸出 電流極性為負且未過零，則Qx保持為0 ；當輸出電流極性為正時且未過零，Qx保持為1 ；當 輸出電流極性有變化時，每個開關周期內Qx都會發生翻轉，翻轉2次表示輸出電流往復過 零階段還未結束，翻轉1次表示輸出電流往復過零階段在該開關周期內結束。這正好符合 上述過零點判斷方法以及死區補償方法。最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導 出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。
權利要求
一種用於變頻器的電流過零檢測方法，包括下述步驟(1)將上、下橋臂的驅動信號Wx、相「或」，作為D觸發器的時鐘信號，即作為輸出電壓採樣的時鐘信號；將變頻器輸出電壓Ux隔離變換得到高低電平Sx，將Sx作為D觸發器的輸入信號，獲得D觸發器的輸出信號Qx；(2)根據Qx判斷死區時間內輸出電流的極性Qx為邏輯高電平時，即代表下橋臂續流二極體導通，輸出電流為正；Qx為邏輯低電平時，即代表由上橋臂續流二極體導通，輸出電流為負；(3)在每個開關周期Ts內，判斷Qx是否翻轉若Qx有發生翻轉，表示在該開關周期裡，輸出電流有過零；若Qx沒有發生反轉，表示在該開關周期裡，輸出電流沒有過零；(4)依據在每個開關周期Ts內的Qx的翻轉次數Nf，來確定在該開關周期裡輸出電流的狀態(a)Nf＝0，表示電流沒有過零；(b)Nf＝1，表示電流確實過零，且該電流往復過零階段在本開關周期內結束；(c)Nf＞1，表示電流處於往復過零階段，下一開關周期電流繼續過零。FSA00000090201700011.tif
2.根據權利要求1所述的電流過零檢測方法，其特徵在於，還包括根據步驟(4)所述 翻轉次數Nf的三種情況與輸出電流的正、負極性的邏輯組合，由外圍邏輯電路向控制器發 送6種輸出信號；這6種輸出信號與Nf = l、Nf > 1情況下連續翻轉開關周期次數N，共同 構成輸出電流過零檢測判斷信號。
3.根據權利要求2所述的電流過零檢測方法，其特徵在於，所述的輸出電流過零檢測 判斷信號包括以下情況當輸出電流極性為負，且Nf = 0，發送信號000，表示電流持續為 負；當過零前輸出電流極性為負，且Nf >1，發送信號001，表示輸出電流極性處於由負變為 正的往復過零階段；當過零前輸出電流極性為負，且Nf = 1，發送信號010，表示輸出電流結 束過零，極性變正；當輸出電流極性為正，且Nf = 0，發送信號111，表示電流持續為正；當 過零前輸出電流極性為正，且Nf > 1，發送信號110，表示輸出電流極性處於由正變為負的 往復過零階段；當過零前輸出電流極性為正，且Nf = 1，發送信號101，表示輸出電流結束過 零，極性變負。
4.根據權利要求2所述的電流過零檢測方法，其特徵在於，另外統計電路處於往復過 零階段時的過零周期數N，作為下一電機轉動周期電流過零階段補償的參考在輸出電流 極性由負變為正的往復過零階段，外圍邏輯電路向控制器發送信號001，過零結束時發送 010，統計001以及010的次數，記為m ；輸出電流極性由正變為負的往復過零階段，外圍邏 輯電路向控制器發送信號110，過零結束時發送101，統計110以及101的次數，記為N2。
5.一種基於權利要求1所述電流過零檢測方法的死區補償方法，輸出電流未過零時， 若電流極性為正，則在下一個開關周期增加一個補償量+K;若電流極性為負，則在下一個 開關周期增加一個補償量-K ；所述K為一個根據變頻器系統特性確定的常係數。
6.一種基於權利要求1所述電流過零檢測方法的死區補償方法，當第一次檢測到輸出 電流有過零時，則判定輸出電流處於往復過零階段，並在上一電機轉動周期往復過零階段 的連續次數N的參考下，對本次往復過零階段進行死區補償，包括在輸出電流極性由負變為正的往復過零階段中，第η個開關周期的補償量 為CK(N1In)ZN1，當檢測到往復過零階段結束時，則本次往復過零階段的死區補償結束，並 將此時的η記為N1，作下一電機轉動周期往復過零階段補償計算用；在輸出電流極性由正變為負的往復過零階段中，第η個開關周期的補償量為+K(N2-2n)/N2,當檢測到往復過零階段結束時，則本次往復過零階段的死區補償結束，並將 此時的η記為N2，作下一電機轉動周期往復過零階段補償計算用； 所述η > 0，所述K為一個根據變頻器系統特性確定的常係數。
全文摘要
本發明涉及電力電子技術領域，旨在提供一種用於變頻器的電流過零檢測及死區補償方法。包括步驟(1)將上、下橋臂的驅動信號Wx、相「或」，作為D觸發器的時鐘信號，將變頻器輸出電壓Ux隔離變換得到高低電平Sx並作為D觸發器的輸入信號，獲得輸出信號Qx；(2)根據Qx判斷死區時間內輸出電流的極性；(3)在每個開關周期Ts內，判斷Qx是否翻轉(4)依據在每個開關周期Ts內的Qx的翻轉次數Nf，來確定在該開關周期裡輸出電流的狀態。在變頻器等逆變電源中，使用本方法，能極大地避免由於電流極性檢測不準、電流往復過零階段死區補償不準造成的電流畸變、轉矩脈動，極大地改善輸出電流的波形使其更加接近正弦波，從而大大提高輸出轉矩。
文檔編號G01R19/175GK101820231SQ201010147638
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者呂徵宇, 周霞, 王斯然, 陳基鋒 申請人:浙江大學