死區補償系統及方法
2023-07-10 08:04:21 3
專利名稱：死區補償系統及方法
技術領域：
本發明涉及電機控制領域，更具體地說，涉及一種三相電壓脈寬調製變頻器或三相PWM整流器功率器件的死區補償系統及方法。
背景技術：
電壓脈寬調製類型的變頻器廣泛應用於各種電機控制場合，為了防止逆變器同一橋臂上下兩個功率器件直通毀壞逆變器，需要人為地在控制信號中加入死區時間，在死區時間內兩個功率器件均截止。此外，在逆變器工作時，開關時間存在延遲，並且關斷時間通·常延遲更長，這些都導致了實際得到的電壓值與理論值之間存在差異，這些效應通常也稱為死區。死區的存在將對電壓、電流和轉矩等各方面都產生影響，在低頻時這種現象尤其明顯，因為相同載波下，低頻時一個周期內開關次數更多，並且低頻時輸出電壓較低，死區效果比重越大。最直接的，它降低了系統的輸出電壓能力，乃至出現相移。為了克服死區的影響，需要補償死區造成的電壓損失，相對於相電流大於零和小於零的情況，需要對相應相電壓做不同的補償。如何確定相電流的過零點是一個難點，也是多種算法的分析所在，它決定了死區補償的成敗。目前死區補償的方案主要是將電流轉換為D-Q坐標系下的直流量，再低通濾波，以便克服檢測電流的噪聲影響。在上述方案中需要進行旋轉變換，而旋轉變換需要一個角度Θ，目前大部分方案都集中在如何根據檢測到的電流準確得到電流Θ的計算，以及D-Q坐標系的濾波方式，而未對電流預測有所提及。事實上電流檢測採樣延遲和計算延遲會有至少一個載波周期，在載波比較低的時候其影響更大，如何克服延遲，準確預測下一個載波的電流，也將決定死區補償的成敗。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對上述死區補償準確率不高的問題，提供一種基於電流預測的死區補償系統及方法。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種死區補償系統，包括電流採樣
單元、自適應濾波器、正向變換單元、低通濾波器、反向變換單元及死區補償單元，其中所
述電流米樣單兀，用於米樣三相電流；自適應濾波器，用於對米樣的三相電流中的每一相電
流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值；所述正向變換單元，用於將所述三相電流預測
值進行3/2變換及旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量；所述低通濾波器，用於對所述D軸和
Q軸電流分量進行低通濾波；所述反向變換單元，用於對低通濾波後的D軸和Q軸電流分量
進行旋轉反變換以及2/3變換；所述死區補償單元，用於根據2/3變換後的電流進行死區補m
\-ΖΧ ο在本發明所述的死區補償系統中，所述自適應濾波器通過以下計算式對釆樣的三相電流中的每一相電流i = Isin (ω + Θ ) =Icos Θ sin (ω )+Isin Θ cos(o t)進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值·C[(A+IF]C[(k + I)/'] = w,p + !)7 ]sin[w(/c 十 i)7 ] + h%[(人十！)7 ]cos[r"(々 + 1)Γ]，其中I為電流幅值，ω為電流角頻率，Θ為電流初始相位，t為當前採樣時刻，k為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的Wl[(k+l)T]、W2[(k+l)T]通過以下計算式獲得 W1 [ (k+1) T] =W1 (kT) +u [ (k+1) Tjx1G [kt],w2 [ (k+1) T] =W2 (kT) +u [ (k+1) T] x2e [kt],其中W= [W1 (kT), W2 (kT) ], X=Iix1, x2] = [sin(cokT), cos (cokT) ], u[(k+l)T]為步長因子且u[(k+l)T]=u(0)+aXe2(kT)，e(kT)為當前採樣時刻的預測誤差，a為常數，u(0)為步長因子初始值。 在本發明所述的死區補償系統中，正向變換單元在旋轉變換時使用的旋轉角與反向變換單元在旋轉反變換中使用的旋轉角相同。在本發明所述的死區補償系統中，所述旋轉角通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。本發明還提供一種死區補償方法，包括以下步驟(a)通過變步長自適應濾波器對採樣的三相電流中的每一相電流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值；(b)將所述三相電流預測值進行3/2變換及旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量；(c)對所述D軸和Q軸電流分量分別進行低通濾波、旋轉反變換以及2/3變換，並根據2/3變換後的電流進行死區補償。在本發明所述的死區補償方法中，所述步驟(a)中，所述變步長自適應濾波器通過以下計算式對採樣的三相電流中的每一相電流i = Isin (ω + Θ ) =Icos Θ sin (ω )+IsinΘ cos(cot)進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值a(t + lF]:/:[(、:々 + 1)Π = H』丨[(> + i)/ jsin[&>a + Ι)/']+νν,[( - + I)7']cos[ty(/( + I)/']，其中I為電流幅值，ω為電流角頻率，Θ為電流初始相位，t為當前採樣時刻，k為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的Wl[(k+l)T]、W2[(k+l)T]通過以下計算式獲得W1 [ (k+1) T] =W1 (kT) +u [ (k+1) Tjx1G [kt]，w2 [ (k+1) T] =W2 (kT) +u [ (k+1) T] x2e [kt],其中W= [W1 (kT), W2 (kT) ], X=Iix1, x2] = [sin(cokT), cos (cokT) ], u[(k+l)T]為步長因子且u[(k+l)T]=u(0)+aXe2(kT)，e(kT)為當前採樣時刻的預測誤差，a為常數，u(0)為步長因子初始值。在本發明所述的死區補償方法中，所述步驟(b)中旋轉變換及步驟(C)中的旋轉反變換的旋轉角相同。在本發明所述的死區補償方法中，所述旋轉角通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。本發明的死區補償系統及方法，通過自適應濾波器對採樣的三相電流進行濾波獲得電流預測值，從而克服電流檢測延遲帶來的檢測值與真實值的誤差，避免了死區補償因為電流檢測值的不準確而失敗。
圖I是本發明死區補償系統實施例的示意圖。圖2是旋轉變換的兩個坐標系的矢量關係圖。圖3是本發明死區補償方法實施例的示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖I所示，是本發明死區補償系統實施例的示意圖。在本實施例中，死區補償系統包括電流採樣單元、自適應濾波器11、正向變換單元、低通濾波器14、反向變換單元及死 區補償單元17。上述各單元可集成到變頻器，也可獨立於變頻器而由專用硬體設備及軟體實現。電流採樣單元用於採樣三相電流ia，ib, i。，其採樣周期為T。例如該電流採樣單元採樣獲得的 A 相電流為ia=Isin (ω t+ Θ ) =Icos Θ sin (ω t) +Isin Θ cos (ω t),其中 I 為電流幅值，ω為電流角頻率，Θ為電流初始相位，t為當前採樣時刻。自適應濾波器11用於對採樣的三相電流中的每一相電流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值。採樣獲得的三相電流ia，ib, i。經過自適應濾波後，可以克服電流檢測延遲帶來的檢測值與真實值的誤差，避免死區補償因為電流檢測值的不準確而失敗。正向變換單元具體包括3/2變換單元12和旋轉變換單元13，其中3/2變換單元12用於將三相電流預測值進行3/2變換，獲得垂直坐標系下的電流ia、ie。旋轉變換單元13使用旋轉角Y對上述垂直坐標系下的電流i a、i e進行旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量id、i,。上述旋轉變換前後兩個坐標系的矢量關係如圖2所示。兩個低通濾波器14分別用於對D軸和Q軸電流分量id、iq進行低通濾波獲得電流分量~、lq。反向變換單元具體包括旋轉反變換單元15和2/3變換單元16,其中旋轉反變換單元15將低通濾波獲得電流分量/、<使用旋轉角反向旋轉獲得電流分量ζ 2/3變換單元16對電流分量G進行2/3變換，獲得三相補償電流^ ζ ζ。死區補償單元17用於根據2/3變換後的三相補償電流ζ 4·進行死區補償。上述自適應濾波器11採用自適應預測算法對採樣的電流進行自適應濾波以獲得在下一採樣時刻的預測電流。該自適應預測算法中，定義兩個隊列X=[Xl，χ2，...，χη]τ，W=K (kT)，W2 (kT), ... wn(kT)]T (W為X的加權係數)，並使用該兩個隊列X、W的積來表示
電流，即>W) = WX =]，則第k個採樣時刻的預測誤差為e (kT) =Yb (kT) -Y (kT)，
I
其中Yb(kT)為反饋的電流實際值。本發明中的自適應濾波器即根據ea(kT)和^(1^)的大小，以變化的步長來調整係數Wi [(k+1) T]的大小，得到下一個採樣周期(k+l)T時刻的輸出預測值，使得e[(k+l)T] I < I e[kt] I。其中:Wi [ (k+1) T] =Wi (kT) +u [ (k+1) Τ] x±e [kt](I)
u[ik + I)/'] = w(0) + a x et {k'i )u[(k+l)T]稱為步長因子，其大小與自適應濾波器11的收斂速度以及穩態誤差有關，a為一常數，a的選取條件是使自適應濾波器11收斂。當誤差變大時，步長將變大，由(I)式可知，輸出為係數與輸入的乘積，其值也會變大，這又會使誤差變小，形成一個負反饋，可達到穩定。在對採樣電流具體處理時，自適應濾波器11通過以下計算式對採樣的三相電流中的每一相電流i = Isin (ω t+ Θ ) = Icos Θ sin (ω t) +Isin Θ cos (ω t)進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值a(t+iF]:r[{k + I)/'] = W1 [(/C + l)/.]sin[ (A: + I)/]+ vv:[(/c + l)/.]cos[ (々 +1)/.]，其中I為電流幅值，ω為電流角頻率，Θ為電流初始相位，t為當前採樣時刻，k為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的Wl[(k+l)T]、W2[(k+l)T]通過以下計算式獲得 W1 [ (k+1) T] =W1 (kT) +u [ (k+1) Tjx1G [kt]，w2 [ (k+1) T] =W2 (kT) +u [ (k+1) T] x2e [kt],其中W= [W1 (kT), W2 (kT) ], X=Iix1, x2] = [sin(cokT), cos (cokT) ], u[(k+l)T]為步長因子且u[(k+l)T]=u(0)+aXe2(kT)，e(kT)為當前採樣時刻的預測誤差，a為常數，u(0)為步長因子初始值。在上述的死區補償系統中，旋轉變換單元13在旋轉變換時使用的旋轉角與旋轉反變換單元15在旋轉反變換中使用的旋轉角相同。具體地,該旋轉角可通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。如圖3所示，本發明還提供一種死區補償方法，該方法包括以下步驟步驟S31 :採樣三相電流，並通過變步長自適應濾波器對採樣的三相電流中的每一相電流進行電流預測以獲得三相電流預測值。特別地，在該步驟中，變步長自適應濾波器通過以下計算式對採樣的三相電流中的每一相電流i = Isin (ω t+ Θ ) = Icos Θ sin (ω t) +Isin Θ cos (ω t)進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值α認+1F]:f\{k + I)/』] = Wl[(々-i- 1)/> η[^(Α: + I)/ ] + w^k + i)/]cos[糾々 + I)/']，其中I為電流幅值，ω為電流角頻率，Θ為電流初始相位，t為當前採樣時刻，k為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的Wl[(k+l)T]、W2[(k+l)T]通過以下計算式獲得W1 [ (k+1) T] =W1 (kT) +u [ (k+1) Tjx1G [kt]，w2 [ (k+1) T] =W2 (kT) +u [ (k+1) T] x2e [kt],其中W= [W1 (kT), W2 (kT) ]，X=Iix1, X2] = [sin (ω kT), cos (ω kT) ]，u[ (k+1) T]為步長因子且u[(k+l)T]=u(0)+aXe2(kT)，e(kT)為當前採樣時刻的預測誤差，a為常數，u(0)為步長因子初始值。步驟S32 :將上述三相電流預測值進行3/2變換及旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量。在具體實現時，旋轉變換中使用的旋轉角可通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。步驟S33 :對D軸和Q軸電流分量分別進行低通濾波。
步驟S34 :對低通濾波的電流進行旋轉反變換以及2/3變換。該步驟中，在旋轉反變換中使用的旋轉角與步驟S32中進行旋轉變換使用的旋轉角相同。步驟S35 :根據2/3變換後的電流進行死區補償。 以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種死區補償系統，其特徵在於包括電流採樣單元、自適應濾波器、正向變換單元、低通濾波器、反向變換單元及死區補償單元，其中所述電流採樣單元，用於採樣三相電流；自適應濾波器，用於對採樣的三相電流中的每一相電流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值；所述正向變換單元，用於將所述三相電流預測值進行3/2變換及旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量；所述低通濾波器，用於對所述D軸和Q軸電流分量進行低通濾波；所述反向變換單元，用於對低通濾波後的D軸和Q軸電流分量進行旋轉反變換以及2/3變換；所述死區補償單元，用於根據2/3變換後的電流進行死區補償。
2.根據權利要求I所述的死區補償系統，其特徵在於所述自適應濾波器通過以下計算式對採樣的三相電流中的每一相電流I = ism(m + ff) = l cos &sm( _ +1 sin ^cos(^)進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值立沐+ 1)71 *[(Α: + 1)Τ]- W1IXt. I)Γ] sm[ m{k + 1)T]+w2[(i + 1)T] cos[ m{k + )Τ]， 其中/為電流幅值，從為電流角頻率，a為電流初始相位，t為當前採樣時刻，是為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的+ 、w2[(.fc + l)T]通過以下計算式獲得W1 [(i + 1)T] = W1 (kT) + [(λ +Α ], w2[(i + 1)Γ] = w2 (kT) +u[(k + \)T}x2e[kt]， 其中iF = [Wl(kT),w2(kT)], X = [^ltX2] =zm{akT)\ uKk+1^]為步長因子且^ + 1)Τ] = ω(0) + αχ 2^7)^ (kT)為當前採樣時刻的預測誤差，力常數，a(0)為步長因子初始值。
3.根據權利要求I或2所述的死區補償系統，其特徵在於正向變換單元在旋轉變換時使用的旋轉角與反向變換單元在旋轉反變換中使用的旋轉角相同。
4.根據權利要求3所述的死區補償系統，其特徵在於所述旋轉角通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。
5.一種死區補償方法，其特徵在於包括以下步驟 Ca)通過變步長自適應濾波器對採樣的三相電流中的每一相電流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值； (b)將所述三相電流預測值進行3/2變換及旋轉變換獲得D軸和Q軸電流分量； (c)對所述D軸和Q軸電流分量分別進行低通濾波、旋轉反變換以及2/3變換，並根據2/3變換後的電流進行死區補償。
6.根據權利要求5所述的死區補償方法，其特徵在於所述步驟(a)中，所述變步長自適應濾波器通過以下計算式對採樣的三相電流中的每一相電流I = lsm(cm + &) = Icos 0sm( — + / sin 0c )進行自適應濾波獲得下一採樣時刻的電流預測值 (λ+ι) i*[(i + l)T]= W1[(先+ l)T]sm[ m(k + 1)7]+W2 [(λ +1)7] cos[ &{k + 1)T],其中./為電流幅值，為電流角頻率，6為電流初始相位，t為當前採樣時刻，Ar為當前採樣的次數，T為採樣間隔時間，上式中的Wl[(.t + l)r]、w2[(.t + l)T]通過以下計算式獲得
7.根據權利要求5或6所述的死區補償方法，其特徵在於所述步驟(b)中旋轉變換及步驟(C)中的旋轉反變換的旋轉角相同。
8.根據權利要求7所述的死區補償方法，其特徵在於所述旋轉角通過坐標變換計算獲得或通過角頻率乘以時間獲得。
全文摘要
本發明提供了一種死區補償系統，包括電流採樣單元、自適應濾波器、正向變換單元、低通濾波器、反向變換單元及死區補償單元，其中所述自適應濾波器，用於對採樣的三相電流中的每一相電流進行自適應濾波以獲得三相電流預測值；所述正向變換單元，用於將所述三相電流預測值進行3/2變換及旋轉變換；所述低通濾波器，用於進行低通濾波；所述反向變換單元，用於進行旋轉反變換以及2/3變換；所述死區補償單元，用於根據2/3變換後的電流進行死區補償。本發明還提供一種對應的方法。本發明通過自適應濾波器對採樣的三相電流進行濾波，從而克服電流檢測延遲帶來的檢測值與真實值的誤差，避免了死區補償因為電流檢測值的不準確而失敗。
文檔編號H02P21/00GK102931902SQ201210388790
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者唐傑 申請人:蘇州匯川技術有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司, 深圳市匯川技術股份有限公司