[发明专利]变频器的脉冲宽度调制死区补偿装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变频器的脉冲宽度调制死区补偿装置及其方法，尤指一种利用软件查表方式计算死区补偿电压值的变频器的脉冲宽度调制死区补偿装置及其方法。

背景技术

现今工业应用中最常用且能商品化的变频器(inverter)控制技术，大略可广义分为纯量控制(scalar control)与向量控制(vector control)两种。虽然纯量控制在速度动态响应、控速比及控制精度等方面比向量控制为差，但由于纯量控制的控制架构简单、容易实现而且比较不容易发散，因此，在一些非伺服目的的工业应用上仍然被广泛采用。纯量控制亦即电压/频率控制(V/f control)，也称为变压变频控制(variable voltage variable frequency control，VVVF)。一般而言，纯量控制是一种开回路的控制方法，不需要反馈马达的转速。其基本原理为：根据转速命令调整马达供应电源的频率，亦即变频器的输出频率。因为马达的磁通大小正是与此电压与频率的比值成正比，因此，也必须调整变频器输出电压的大小，使得电压与马达运转频率的比值维持一定值，借此达成维持磁通大小并控制转速的目的。

虽然电压/频率控制是相当容易实现，然而在低频轻载时，由于变频器的输出电压极小，再加上切换开关上的压降等等因素，造成变频器输出电压上的误差加剧，因此，马达运转在低频轻载时的控制性能就变得较差。

此外，在变频器驱动电路中，由于功率芯片会有导通延迟(turn-on delay)与截止延迟(turn-off delay)的非理想现象，因此，实际上，功率芯片并不会在输入命令到达后立即导通或截止。为了避免同一臂上两芯片在非完全导通或截止状态下发生短路的情况，须要在上下臂芯片导通与截止中间错开，延迟一段时间，此段时间称为死区时间(dead time)或称短路防止时间。

短路防止时间的做法为将每一功率芯片(开关)由截止至导通的瞬间往后延迟一时间，而此延迟的时间大小必须配合开关的切换速度。但是，加入短路防止时间后，变频器输出电压的基本波成分会减少而低频谐波成分会增加，当马达低速运转时，低频谐波对马达影响会更加明显，特别是在开回路控制下，输出电流将发生零点交越(zero-crossing)的死区现象，使得实际电流在零点交越时产生了失真。

请参见图1A为公知变频器死区补偿的电路方块图，此种变频器的死区补偿方式为目前常用的补偿方式之一。如图所示，此一变频器20A的死区补偿方式利用侦测一马达30A的三相电流计算所需的死区补偿量。亦即，利用一电流侦测电路40A侦测该马达30A的输入电源电流，也就是该变频器20A的三相输出电流。该三相输出电流由一死区补偿模块50A接收该变频器20A的三相输出电流，并根据该三相电流的极性，在每一相的脉冲宽度调制(PWM)参考命令值，加上或减去(视电流极性而定)一个修正量，使得产生的死区补偿量为一与电流同相位的梯形补偿曲线。此种变频器的死区补偿方式具有计算简单的优点，但其缺点是电压补偿量与梯形斜率会偏离理想值，导致输出电流波形激变，使得马达在转动时会产生忽快忽慢的转速不连续现象，此种失真现象在低频轻载时(特别是1Hz以下的轻载，甚至无载运转)会特别明显。

为了改善上述所提的马达运转在低频轻载时的输出电流波形激变现象，另一种也是目前常用的补偿方式之一，如下所述：

请参见图1B为公知变频器死区补偿的电路方块图。此种变频器的死区补偿方式为采用电压反馈的死区补偿方式。亦即，此种变频器的死区补偿方式除了采用上述的补偿方式外，另外再增加一电压侦测电路60A。该电压侦测电路60A用以侦测该变频器20A的三相输出电压，并且求出其瞬时的电压输出差量。并根据该电压输出差量以及所侦测到的三相电流极性，求出电压补偿量及其补偿量的方向。此种以电压反馈方式进行死区补偿的方式，输出电流的波形接近纯弦波，为平滑的补偿曲线。相较于第一种变频器死区补偿方式(如图1A)的补偿量为一梯形，除了造成在高电压输出时梯形的转折点处，会产生电流激变外，也由于梯形的补偿量与真实补偿量不一致，将产生电压补偿过大的问题。因此，此种变频器的死区补偿方式除了可得到高准确度补偿量的优点外，更可得到几乎无失真的弦波电流，以改善马达运转在低频轻载时的输出电流波形激变现象。但其缺点是为了直接侦测以求出电压输出差量，必须额外增加该电压侦测电路60A，故此，相较于第一种变频器死区补偿方式(如图1A)来说，需要增加额外硬件电路的成本。