[发明专利]一种变频器死区补偿方法及补偿系统

说明书

本发明公开了一种变频器死区补偿方法及补偿系统，涉及电机控制技术领域。本方案基于硬件死区补偿方法的基础上，对硬件脉宽检测误差进行软件修正，从而大幅改进小电流条件下的输出电压失真问题，能够以极高的精度检测死区时间引起的输出电压误差，并能精确地进行死区补偿，极大的减小输出电压失真，抑制输出电流谐波畸变。

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种变频器死区补偿技术。

背景技术

电压源型变频器的输出端一般采用每相具有上、下两个互补动作的功率半导体开关的桥式电路，输出电压采用PWM方式，按照时间电压面积等效原则，通过控制调制比较值改变占空比来调节输出电压。

为了防止上、下两个功率半导体之间出现“桥臂直通”现象，一般会在桥臂的驱动信号中插入一段“死区时间”，在该段时间之内，上、下两个功率半导体开关器件均处于可靠关断状态。

死区时间的插入导致“死区效应”，在输出电压层面，主要表现为：输出电压脉宽偏差和脉冲边沿非线性。

死区时间内一相桥臂的上、下两个开关器件均处于关断状态，实际的输出电压将由续流电流和续流回路决定。以图1为例，当输出电流iu>0时，实际的输出电压与理想电压之间的脉宽偏差为-(td+ton-toff)，当输出电流iu<0时，实际的输出电压与理想电压之间的脉宽偏差为(td+ton-toff)，其中，td为死区时间，ton为开通延迟，toff为关断延迟。

在死区时间以内，输出脉冲电压的边沿变化由续流电流对功率半导体的输出极间电容Cce1和Cce2充放电情况决定。当续流电流较大时，这一充放电过程非常迅速，小于死区时间，因此死区时间内的电压边沿变化实际上是线性的。临界的，当续流电流小到某一阈值时，这一充放电过程刚好在完整的死区时间内完成，如图2中(a)和(e)所示。当电流小于该阈值而非零时，在死区时间以内，续流电流无法通过将功率半导体的输出极间电容Cce1和Cce2充放电完全而达到另一稳定电平状态，而是在死区时间结束后由另一开关管的开通而使得输出电压强迫变化至另一稳定电平状态，如图2中(b)和(d)所示，此时输出电压的边沿出现非线性畸变。当电流达到零时，上述续流充电过程将不存在，输出电压依靠互补开关管的开通进行改变，不考虑ton和toff的差别，理论上输出电压中将不存在死区影响。

由于上述输出电压中存在的脉宽偏差和边沿非线性畸变引起的输出电压偏差，会导致变频器的输出电流存在谐波畸变，所带电机负载中将出现谐波转矩，影响控制性能，因此为提高控制性能，必须对死区效应进行补偿。

通常死区效应补偿主要采取两种方式：软件死区补偿和硬件死区补偿。

软件死区补偿是通过构造一系列的电流条件获取输出电压偏差和输出电流之间的对应关系曲线，再根据实际的输出电流或推算的预测电流大小和符号，将上述习得的电压偏差补偿到输出指令占空比当中，使得实际的输出电压接近于理想的输出电压。这种方法计算简单，不需要额外的输出电压硬件检测电路，且可以通盘补偿各种硬件层面原因导致的电压失真，在输出电流较大情况下补偿效果尚可。但是，输出电压偏差补偿是基于输出电流，当电流较小或者出现零电流箝位时无法准确补偿，电流过零点附近仍存在严重畸变。

硬件死区补偿是使用硬件电路采样输出电压的脉冲宽度，与指令脉宽进行对比，得到脉宽误差，从而在输出指令上进行脉冲宽度补偿。其输出电压脉冲宽度检测一般是利用输出电压与一个固定电位、或根据电流可改变的两个电位、或两级固定电位进行比较生成方波反馈信号，根据时间电压面积等效原则，当实际输出电压脉冲的边沿为线性时，这种方法的检测精度极高。但是当输出电压边沿存在非线性畸变时，这种检测方法自身存在检测偏差，这一偏差主要出现在输出电流较小的范围内，使得硬件补偿方式下，电流过零点附近仍存在严重畸变。

因此，如何开发一种可解决现有技术问题的死区补偿方案为本领域迫切需要解决的问题。

发明内容