技术领域
[0001] 本
发明属于电气工程领域，针对永磁同步电动机调速系统的逆变器采用传统的
空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)驱动脉冲
信号设置死区时间而造成的电流
波形畸变技术问题，提出了一种基于永磁同步电动机电流极性判断进行逆变器死区补偿的方法。
背景技术
[0002] 永磁同步电动机电流波形畸变会造成电动机发热加重，电磁转矩
波动增加，振动噪声增大。造成电流波形畸变有两方面原因：一方面是由于永磁同步电动机设计的原因，导致
定子绕组内永磁成感应的反电动势波形不是理想的
正弦波；另一方面是为了防止三相逆变器每个桥臂的上下两只功率
开关管直通
短路而特意为上下两只功率开关管SVPWM驱动脉冲信号设置死区时间造成的。
[0003] 功率开关管SVPWM驱动信号加入死区时间后，虽然有效地防止了逆变桥每个桥臂的上下两只功率开关管直通短路，却导致了逆变各相
输出电压出现损失，致使永磁同步电动机的各相电流波形出现畸变。迄今为止，针对逆变器死区补偿大概分为两种办法。一种基于平均电压误差的补偿法，另一种是基于脉冲的补偿法。
[0004] 基于平均电压误差的方法简单易于实现，但是补偿不够精确。基于脉冲的补偿法能够精确补偿死区时间，但对控
制芯片要求较高。
[0005] 上述两种方法都需要对电流极性进行准确判断，而电流极性判断正确与否直接影响着补偿效果的好坏。尤其在电动机低速转动时，由于电流
采样噪声，导致电流穿越零点时在零点附近徘徊，精确检测电流穿越零点非常困难。
[0006] 已有的采用新型FIR(Finite Impulse Response,简称FIR)
滤波器只能对固定
频率的电流波形进行滤波而不产生
相移，本发明采用基于时间局部
迭代最小二乘法可以对不同频率下的电流基波分量进行预测还原，而不产生相移，从而对不同频率电流基波分量的极性都能进行准确判断。
发明内容
[0007] 本发明的目的是克服已有逆变器死区补偿方法存在电流极性判断的不准的技术难题。本发明采用时间局部迭代最小二乘法(Local Time Iterative Least Square，简称LTILS)对永磁同步电动机的各相电流极性进行判断，通过获得的各相电流极性信号分别对各相采用空间矢量脉冲宽度调制技术生成的SVPWM驱动脉冲信号重新设置死区时间，实现逆变器死区补偿，从而减小功率开关管驱动信号加入死区时间造成的电流波形畸变。在不用增加额外的
硬件电路的条件下，只需通过
软件编程来实现。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提出的一种基于永磁同步电动机电流极性判断的逆变器死区补偿方法，首先，在永磁同步电动机驱动逆变器的
数字信号处理器中，采用时间局部迭代最小二乘法对包含噪声的永磁同步电动机A相、B相和C相的离散采样电流的基波分量进行还原，对上述A相、B相和C相电流过零点做出正确判断，得到A相、B相和C相电流极性判断结果；然后，根据判断得到的A相、B相和C相电流极性判断结果对由空间矢量脉冲宽度调制得到的功率开关管驱动脉冲信号对A相、B相和C相的空间矢量脉冲宽度调制驱动脉冲信号添加死区时间Td，作为死区时间补偿；其中：
[0009] 对于A相，当A相电流大于零以及由大于零变为等于零时，逆变器A相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器A相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器A相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；当A相电流小于零以及由小于零变为等于零时，逆变器A相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器A相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器A相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；
[0010] 对于B相，当B相电流大于零以及由大于零变为等于零时，逆变器B相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器B相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器B相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；当B相电流小于零以及由小于零变为等于零时，逆变器B相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器B相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器B相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；
[0011] 对于C相，当C相电流大于零以及由大于零变为等于零时，逆变器C相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器C相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器C相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；当C相电流小于零以及由小于零变为等于零时，逆变器C相的下桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；逆变器C相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且逆变器C相的上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通。
[0012] 本发明方法最终实现逆变器输出的实际电压与由空间矢量脉冲宽度调制得到的未加死区时的理想的输出电压一致，能够有效地减小逆变器死区所引起的永磁同步电动机各相电流波形的畸变，使得永磁同步电动机A相、B相和C相电流波形的畸变得到有效改善。本发明方法
算法简单，相比于基于电流空间矢量坐标变换等方法省去了坐标变换环节。
附图说明
[0013] 图1为电压源型逆变器供电的永磁同步电动机调速系统控制
框图；
[0014] 图2(a)至图2(d)分别为A相电流在逆变器A相桥臂上、下两只功率开关管中流通的路径图；
[0015] 图3所示为传统的逆变器SVPWM驱动脉冲信号死区时间Td添加方法以及由此造成逆变器输出电压损失的示意图；
[0016] 图4所示为采用时间局部迭代最小二乘法进行电流波形拟合实现逆变器SVPWM驱动脉冲信号添加死区时间Td方法的
流程图；
[0017] 图5所示为逆变器SVPWM驱动脉冲信号采用本发明添加死区时间Td的示意图；
[0018] 图6所示为基于永磁同步电动机电流极性判断的逆变器死区补偿方法控制框图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0020] 本发明提出的一种基于永磁同步电动机电流极性判断的逆变器死区补偿方法，如图6所示主要包括三部分：(1)通过时间局部迭代最小二乘法对带有噪声的各相电流基波分量进行实时还原。(2)通过各相电流基波分量在三相ABC坐标下进行电流极性判断。(3)根据各相电流极性分别对各相对应桥臂的上、下两只功率开关管器件的SVPWM输出脉冲信号添加死区时间，实现所谓的对传统SVPWM控制的死区的补偿。
[0021] 由图1所示的逆变器驱动的永磁同步电动机系统框图可见，三相逆变器由三个桥臂构成，每个桥臂上、下两只功率开关管器件组成，每个桥臂上、下两只功率开关管器件中间处的为一个输出端，三个桥臂的三个输出端分别与永磁同步电动机的三相绕组输入端连接。当A相电流iA>0时，V1驱动信号为高电平时，A相电流的流经通路(带箭头的黑实线)如图2(a)所示；V1驱动信号为低电平时，A相电流如图2(b)所示是通过下桥臂的续流
二极管续流。由此可见，当A相电流iA>0时，输出电压只与上桥臂的触发脉冲有关。当A相电流iA<0时，V1驱动信号为高电平时，A相电流的流经通路如图2(c)所示；V1驱动信号为低电平时，A相电流如图2(d)所示是通过下桥臂的
续流二极管续流的。由此可见，当A相电流iA<0时，输出电压只与下桥臂的触发脉冲有关。
[0022] 为了防止电压源逆变器每个桥臂上、下两只功率开关管出现直通而发生的短路故障，采用对由SVPWM技术得到的原始PWM添加死区时间Td。当改变同一相上下桥臂的触发信号极性时必须在同一相上下桥臂的触发信号的下降沿与上升沿之间设置一个死区时间Td的延迟。传统的逆变器SVPWM驱动脉冲信号死区时间Td添加方法以及由此造成逆变器输出电压损失的示意图如图3所示，图中，UDC为直流
母线电压，uA为A相桥臂输出的A相电压，分别为采用SVPWM技术得到的尚未添加死区时间的A相桥臂上、下功率开关管V1、V4的驱动脉冲信号，uV1、uV4分别为采用传统的添加死区时间后的A相桥臂上、下功率开关管V1、V4的驱动脉冲信号，Verr为采用传统的添加死区时间后A相输出电压损失。由图3可见，当采取传统的逆变器SVPWM输出脉冲信号添加死区时间Td方法时，使得输出电压较理想输出电压有一个误差，永磁同步电动机
电机相电压中含有5、7次以及更高次数谐波分量，造成各相电流波形中也含有5、7次以及更高次数谐波电流分量，对电机运行带来不利影响。
[0023] 由数字
信号处理器(DSP)采样得到的永磁同步电动机
三相电流离散信号中含有大量高频噪声，若直接对三相电流的极性进行判断，这很可能在电流过零点附近出现极性判断错误，若对三相电流采用普通滤波器直接滤波则导致滤波后的电流信号产生相移。通过时间局部迭代最小二乘法(LTILS)对带有噪声的相电流基波分量进行实时还原，则可对三相电流的极性进行正确判断。
[0024] 本发明提出的一种基于永磁同步电动机电流极性判断的逆变器死区补偿方法，首先采用时间局部迭代最小二乘法对包含噪声的永磁同步电动机A相、B相和C相各相离散采样电流的基波分量进行还原，从而对各相电流过零点做出正确判断，得到各相电流极性判断结果。
[0025] 以A相为例，具体的实施流程如图4所示。首先，对永磁同步电动机A相电流进行采样，采用时间局部迭代最小二乘法对包含噪声的A相离散采样电流的基波分量进行还原，还原后的电流波形较原来的电流波形没有相移。时间局部迭代最小二乘法的原理如下：
[0026] 以A相为例，假定永磁同步电动机A相电流波形如式(1)所示
[0027] iA(t)＝I1sinωt+I2cosωt+ε(t) (1)
[0028] 式(1)中，ε(t)代表A相电流中的噪声信号；I1和I2为两个系数，不同的I1和I2组合可以实现对原来永磁同步电动机电流信号
相位进行准确
跟踪。
[0029] 假定在时间区间[t1，tn]内，采样n个点，根据时间局部迭代最小二乘法，可得[0030]
[0031]
[0032] 式(2)和式(3)中，tj(j＝1，2…，n)是区间[t1，tn]内的离散采样点。
[0033] 由式(2)和式(3)可以推导出
[0034]
[0035]
[0036] 由式(4)和式(5)最终得到
[0037]
[0038]
[0039] 通过辨识得到的
[0040]
[0041] 就是对原来包括噪声信号的永磁同步电动机A相电流信号基波分量的还原，相当于对采样来的包含噪声信号的永磁同步电动机A相电流信号进行了数字滤波作用。然后，将A相电流与零值进行比较，得到A相电流极性判断结果。
[0042] 同理，对B和C两相的电流采样信号通过时间局部迭代最小二乘法可以辨识得到和 和 信号的极性与原来电流极性基本一致，对 和信号的极性进行极性判断所得结果，便可以认为是对原来三相电流进行极性判断的结果。
[0043] 然后，根据判断得到的各相电流极性判断结果对由传统SVPWM技术得到的功率开关管驱动脉冲信号，依据各相电流极性分别对各相的同一桥臂的上、下两只功率开关器件的SVPWM驱动脉冲信号添加死区时间Td，即进行所谓的死区时间补偿。
[0044] 以A相为例，具体的实施流程如图4所示。由图5可见，当A相电流大于零以及由大于零变为等于零时，逆变器的输出波形只与A相上桥臂的触发脉冲有关，所以对A相下桥臂的触发脉冲提前Td关断，延时Td开通。当A相电流小于零以及由小于零变为等于零时，逆变器的输出波形只与A相下桥臂的触发脉冲有关，所以对A相上桥臂的触发脉冲延迟Td开通，并且提前Td关断。因此，当A相电流大于零以及由大于零变为等于零时，可以保持上桥臂功率开关管驱动信号仍然与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号保持一致，即上桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻仍然与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致，而仅针对下桥臂功率开关管驱动脉冲信号进行修正加入死区时间Td，即下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且下桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通；当A相电流小于零以及由小于零变为等于零时，可以保持下桥臂功率开关管驱动信号仍然与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号保持一致，即下桥臂功率开关管驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻仍然与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号的导通时刻和关断时刻保持一致；而仅针对上桥臂功率开关管驱动脉冲信号进行修正加入死区时间，即上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号提前一段死区时间Td关断，并且上桥臂功率开关管驱动脉冲信号比由传统SVPWM技术得到的未加死区时的驱动脉冲信号延迟一段死区时间Td导通。这样就可实现逆变器A相输出的实际电压与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的理想的A相输出电压一致，永磁同步电动机A相电流的畸变得到有效改善。
[0045] 同理，对B相和C相采用上述同样方式进行处理，可实现逆变器B相和C相输出的实际电压与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的理想的B相和C相输出电压一致，永磁同步电动机B相和C相电流的畸变得到有效改善。
[0046] 本发明方法可以对永磁同步电动机三相电流波形进行实时跟踪，并且可以做到零相移。算法简单，鲁棒性强，无需额外的硬件设备，适合不同转速下的永磁同步电动机电流极性的判断，依据电流极性判断结果分别对各相的同一桥臂的上、下两只功率开关器件的SVPWM驱动脉冲信号添加死区时间Td，这样就可实现逆变器三相输出的实际电压与由传统SVPWM技术得到的未加死区时的理想的三相输出电压一致，永磁同步电动机三相电流的畸变得到有效改善。也就实现了所谓的“死区补偿”。
[0047] 本发明提出的基于永磁同步电动机电流极性判断的逆变器死区补偿方法同样适用于多相永磁同步电动机调速系统。
[0048] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多
变形，这些均属于本发明的保护之内。
