專利名稱：減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用四個開關元件控制三相電動機速度的設備和方法，尤其涉及利用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備和方法，它能直接或間接檢測與包括開關元件的變換器(inverter)的相應開關引線相連接的上下DC鏈接電容器之間的電壓差，根據(jù)檢測到的電壓差調節(jié)相電壓的相應開關時間，從而減小三相電動機中產(chǎn)生的轉矩脈動。


圖1是使用四個開關元件的傳統(tǒng)三相電動機控制器的方框圖。如圖1所示，三相電動機控制器包括一對DC鏈接電容器，即上方DC鏈接電容器3和下方DC鏈接電容器4，分別適于接收AC電壓整流后的DC電壓，并將DC電壓存儲在其中。三相電動機控制器還包括B4變換器2，該變換器配置成在從每個電容器3和4提供DC電壓時響應開關控制信號而接通或斷開，從而提供適于使三相電動機1旋轉的三相電壓。三相電動機1與B4變換器2的相應開關引線連接并與上下DC鏈接電容器3和4之間的連接節(jié)點連接。
通常，變換器是已知的，用六個開關元件控制三相電動機。但是，這種變換器很昂貴。為了降低這種變換器的成本，提出一種用四個開關元件控制三相電動機的變換器。這種變換器的一個例子是圖1所示的B4變換器2。
現(xiàn)在，描述上述用四個開關元件控制三相電動機的傳統(tǒng)三相電動機控制器的操作。
當AC電壓輸入三相電動機控制器中時，經(jīng)整流裝置(未示出)整流，產(chǎn)生DC電壓。該DC電壓提供給彼此并聯(lián)連接的上下DC鏈接電容器3和4。
結果上下DC鏈接電容器3和4以交替方式執(zhí)行充電和放電操作。根據(jù)組成B4變換器2的開關元件的各自狀態(tài)變化控制交替的充電和放電操作。
B4變換器2有四個開關狀態(tài)，如圖3A-3D所示。下面結合Y-連接的三相電動機的情況進行描述。在下面的描述中，“1”表示B4變換器2中上方開關元件的ON狀態(tài)，“0”表示下方開關元件的ON狀態(tài)。在僅分別對應于B4變換器的四個電壓矢量的上方開關元件被接通的情況下，即處于狀態(tài)<1,1>，為三相電動機1提供在上方DC鏈接電容器3中充電的電壓V1。在這種狀態(tài)下，不從下方DC鏈接電容器4向三相電動機1提供電壓。
另一方面，當只有下方開關元件被接通時，即處于狀態(tài)<0,0>，為三相電動機1提供在下方DC鏈接電容器4中充電的電壓V2。在這種狀態(tài)下，不從上方DC鏈接電容器3向三相電動機1提供電壓。
在狀態(tài)<0,1>和<1,0>下，上下DC鏈接電容器3和4分別向三相電動機1提供電壓V1和V2。
為了允許三相電動機1旋轉，需要產(chǎn)生三相電壓，每相電壓彼此的相位差為120°，如圖2所示的Va、Vb和Vc。
為了產(chǎn)生這些三相電壓，分別對應于加到三相電動機1上的三相電壓矢量的B4變換器2中三個節(jié)點中的一個節(jié)點連接上下DC鏈接電容器3和4之間的連接節(jié)點，剩下的兩個節(jié)點連接上方開關元件和相關的下方開關元件之間的各自的引線。
而且，當向電壓Va、Vb和Vc施加電壓-Vc時，為了產(chǎn)生與平衡的三相電壓有相同效果的電壓，所有的三相電壓矢量都沒有方向，最后只產(chǎn)生“Vu”和“Vw”，如圖2所示。
電壓矢量Vu和Vw用于與零相位一起產(chǎn)生平衡的三相電壓。即，能用四個開關獲得三相平衡電壓。
B4變換器2產(chǎn)生的兩個電壓矢量Vu和Vw之間有60°的相位差，如圖2所示。如上所述，在三相電動機的c-相連接到上下DC鏈接電容器3和4之間的連接節(jié)點的情況下，電壓矢量Vu的相位從a-相電壓Va延遲30°。
所以，在用脈寬調制(PWM)的脈沖控制B4變換器2的情況下，能用下列等式1所表達的B4變換器2的開關邏輯控制三相電動機1。
ire1=ic1+idc1,ic2+idc2Vw=Vb_dc=[12+12·ma·sin(θ-π2)]·Tsamp----(1)]]>其中，“θ”表示轉子位置，“ma”表示調制率，“Tsamp”表示開關采樣時間。
上述等式1與三相電動機的c-相連接到上下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的情況有關。參考等式1，發(fā)現(xiàn)電壓Vw和Vu之間的相位差為60°，電壓Vu從電壓Va開始相位延遲30°。
根據(jù)以上的傳統(tǒng)方法，根據(jù)組成B4變換器的開關元件的開關狀態(tài)，提供給電動機的電壓有兩種狀態(tài)，一種狀態(tài)是在僅使用上方或下方DC鏈接電容器的基礎上提供電壓，一種狀態(tài)是在使用上下DC鏈接電容器的基礎上提供電壓。為此，在上下DC鏈接電容器之間有電壓差，從而不能向三相電動機提供平衡的三相電壓。結果，產(chǎn)生轉矩脈動。由于這種轉矩脈動，不能實現(xiàn)可靠的速度控制。
本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備和方法，它能根據(jù)分別適于為變換器提供電壓的上下DC鏈接電容器之間的電壓差，調節(jié)由包括開關元件的變換器提供給三相電動機的相位電壓的相應開關時間，從而減小三相電動機中產(chǎn)生的轉矩脈動。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備和方法，其中，根據(jù)提供給包括開關元件并用流過三相電動機的電流檢測到的上下DC鏈接電容器之間的電壓差，減小三相電動機中產(chǎn)生的轉矩脈動。
根據(jù)一個方案，本發(fā)明提供一種用于減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備，包括整流器元件，用于將輸入的AC電壓整流成DC電壓；上和下DC鏈接電容器，與整流元件并聯(lián)連接，每個DC鏈接電容器用于對DC電壓執(zhí)行充電和放電操作；變換器，與電容器并聯(lián)連接，適于根據(jù)與開關信號一起分別從電容器放電的電壓產(chǎn)生適于使三相電動機旋轉的三相電壓；電壓命令發(fā)生器，根據(jù)電容器之間的電壓差、電動機的實際轉速和命令速度之差以及電動機的轉子位置計算包括在變換器中的A和B相的開關元件的相應開關操作的補償分量，并提供包括計算出的補償分量的相應開關時間，從而控制電動機的轉速。
根據(jù)另一個方案，本發(fā)明提供一種減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償方法，包括以下步驟(a)根據(jù)驅動三相電動機的電壓命令，計算分別與變換器中A和B-相引線相關聯(lián)的四個開關元件中上方元件的相應開關時間(Ta和Tb)；(b)將計算出的開關時間(Ta和Tb)相互比較；(c)從Ta和Tb計算處于A和B-相引線開關狀態(tài)中下方開關的工作時間t1和從Ta和Tb計算處于A和B-相引線開關狀態(tài)中上方開關的工作時間t2,(d)在計算完開關時間(t1和t3)之后，檢測輸入到分別與變換器的A和B-相引線相連接的上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的電流，將檢測到的電流積分，從而導出上方DC鏈接電容器兩端電壓和下方DC鏈接電容器兩端電壓之間的差，(e)根據(jù)導出的電壓差，計算開關時間(Ta和Tb)的相應補償分量(ΔTa和ΔTb)，以及(f)產(chǎn)生分別反映計算出的補償分量的新的開關時間(Ta′和Tb′)，將新的開關時間提供給變換器。
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的以上目的、其他特征和優(yōu)點，附圖中圖1是使用四個開關元件的傳統(tǒng)三相電動機控制器的方框圖；圖2示出了彼此相位差120°的三相電壓矢量圖，和之間相位差為60°的2-相電壓矢量；圖3A-3D分別是根據(jù)不同開關狀態(tài)Y-連接的三相電動機和DC鏈接之間建立的不同連接的電路圖；圖4示出了用直角坐標系統(tǒng)在圖3a-3d中具有不同開關狀態(tài)S1和S2的各個情況下產(chǎn)生的四個電壓矢量圖；圖5是表示圖4中所描述的四個電壓的實數(shù)分量Re和虛數(shù)分量Im；圖6是電壓V2高于電壓V1時產(chǎn)生的電壓矢量圖；圖7是因為電壓V2高于電壓V1而使電壓矢量U2和U1畸變的情況下實際施加的電壓的畸變圖；圖8A和8B分別示出了位于A-相引線的開關時間多于B-相引線的開關時間的區(qū)Ⅰ內(nèi)的命令電壓矢量圖和產(chǎn)生命令電壓矢量的PWM脈沖波形圖；圖9A和9B分別示出了位于B-相引線的開關時間多于A-相引線的開關時間的區(qū)Ⅲ內(nèi)的命令電壓矢量圖和產(chǎn)生命令電壓矢量的PWM脈沖波形圖；圖10是包括上和下DC鏈接電容器的變換器的等效電路圖；圖11是在三相電動機的C-相連接到上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的條件下根據(jù)不同的開關狀態(tài)輸入到上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的電流變化表；圖12A和12B分別是涉及用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備的本發(fā)明實施例的電路圖；圖13是用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償方法的流程圖；圖14A是在未對電壓畸變作出補償?shù)那闆r下使三相電動機旋轉的速度命令和在速度命令的基礎上三相AC電動機的實際速度的波形圖；圖14B是在圖14A的情況下產(chǎn)生的三相電流的波形圖15A是對電壓畸變作出補償?shù)那闆r下使三相電動機旋轉的速度命令和在速度命令的基礎上三相AC電動機的實際速度的波形圖；圖15B是在圖15A的情況下產(chǎn)生的三相電流的波形圖；圖15C是伴隨上方DC鏈接電容器兩端電壓和下方DC鏈接電容器兩端電壓的DC鏈接電壓的波形圖；以及圖16是由二極管和電容器組成的電流檢測器的電路圖，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，它代替電流檢測器和積分器的組合來使用。
參考圖12A和12B，分別示出了與用四個開關元件減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備有關的本發(fā)明實施例。在圖12A和12B中，與圖1中部件相對應的元件用相同的標號表示。
根據(jù)圖12A和12B所示的本發(fā)明實施例，相位畸變補償設備包括整流器元件12，用橋式二極管將輸入的AC電壓整流成DC電壓；上和下DC鏈接電容器3和4，每個DC鏈接電容器適于對DC電壓執(zhí)行充電和放電操作；變換器2，分別接收從電容器3和4放電的電壓，從而利用四個開關元件產(chǎn)生提供給三相電動機1的三相電壓。設備還包括速度檢測器7，用于檢測三相電動機1的轉速Wr；位置檢測器9，用于根據(jù)檢測到的轉速Wr檢測三相電動機1的轉子位置θ；減法器11，用于從命令速度Wr*導出被檢測的轉速Wr的誤差；速度控制器10，用于根據(jù)導出的速度誤差，確定加到三相電動機上的電壓電平；電壓命令發(fā)生器8，根據(jù)電容器3和4之間的電壓差和速度控制器10確定的電壓電平計算包括在變換器2中的A和B相開關元件的相應開關操作的補償分量，并提供包括計算出的補償分量的相應開關時間，從而控制三相電動機的轉速。
根據(jù)圖12A所示的實施例，電容器3和4之間的電壓差由包括電流檢測器5和積分器6的結構確定，電流檢測器5用于檢測輸入到與三相電動機1相連接的電容器3和4之間的連接節(jié)點的電流，積分器6用于對被測電流積分，從而導出電容器3和4之間的電壓差。根據(jù)圖12B所示的實施例，電容器3和4之間的電壓差由電壓檢測器14確定，電壓檢測器14用于檢測電容器3和4兩端的相應電壓，從而導出被測電壓之間的差。
現(xiàn)在，詳細描述具有上述結構的設備的操作和效果。
如圖12A和12B所示，根據(jù)本發(fā)明使用的變換器2是包括四個開關元件以產(chǎn)生四個電壓矢量的B4變換器2。
即，假設“S1”表示B4變換器中A-相引線的開關狀態(tài)，“S2”表示B4變換器中B-相引線的開關狀態(tài)，四個電壓矢量由B4變換器產(chǎn)生，原因是每個開關狀態(tài)S1和S2是從分別對應“0”和“1”的兩個不同開關狀態(tài)中選擇的。這里，“0”表示B4變換器中上方開關元件的ON狀態(tài)，“1”表示下方開關元件的ON狀態(tài)。
因此，這種B4變換器只有四個有效矢量將提供給電動機。
圖3A-3D分別示出了具有Y-連接的三相電動機之間建立的不同連接和根據(jù)不同開關狀態(tài)的DC鏈接。在圖3A-3D所示的情況下，三相電動機的C-相連接到上和下DC鏈接電容器3和4的連接節(jié)點。而且，“V1”表示上方DC鏈接電容器3兩端的電壓，“V2”表示下方DC鏈接電容器4兩端的電壓。
圖3A示出了加到三相電動機各相上的電壓，此時，開關狀態(tài)S1和S2對應于<0,0>，即此時只有下方開關元件處于ON狀態(tài)而上方開關元件處于OFF狀態(tài)。
圖3B示出了加到三相電動機各相上的電壓，此時，開關狀態(tài)S1和S2對應于<0,1>，即此時A-相引線的開關狀態(tài)S1對應于相關的開關元件中僅下方元件被接通的狀態(tài)，而B-相引線的開關狀態(tài)S2對應于相關的開關元件中僅上方元件被接通的狀態(tài)。
圖3C示出了加到三相電動機各相上的電壓，此時，開關狀態(tài)S1和S2對應于<1,0>，即此時A-相引線的開關狀態(tài)S1對應于相關的開關元件中僅上方元件被接通的狀態(tài)，而B-相引線的開關狀態(tài)S2對應于相關的開關元件中僅下方元件被接通的狀態(tài)。
此外，圖3D示出了加到三相電動機各相上的電壓，此時，開關狀態(tài)S1和S2對應于<1,1>，即此時只有下方開關元件處于OFF狀態(tài)而上方開關元件處于ON狀態(tài)。
在具有不同開關狀態(tài)S1和S2的圖3A-3D各種情況下產(chǎn)生的電壓矢量可以用直角坐標系統(tǒng)來描述，如圖4所示。直角坐標系統(tǒng)有分別表示電壓矢量的實數(shù)分量Re和虛數(shù)分量Im的兩個正交軸。
圖5是表示圖4中四個電壓的實數(shù)分量Re和虛數(shù)分量Im。圖5中“u”表示產(chǎn)生的電壓，“t”表示開關時間。
現(xiàn)在，描述會出現(xiàn)在B4變換器中的電壓畸變現(xiàn)象。
在提供給變換器2即B4變換器2的上方DC鏈接電容器3兩端電壓V1和下方DC鏈接電容器4兩端電壓V2是理想的時候，即那些電壓相等(V1=V2)，由B4變換器產(chǎn)生的四個電壓的相應電壓矢量彼此正交，如圖6的左面部分所示。但是，在電壓V2高于電壓V1的地方，電壓u2(1,0)或u4(0,1)的實數(shù)分量Re(Re=1/2(V2-V1))有正值，從而導致電壓矢量右偏。而且，電壓u1(0,0)的絕對值高于電壓u3(1,1)的絕對值。
結果，盡管為建立電壓命令矢量計算的每個開關狀態(tài)S1或S2的開關時間能產(chǎn)生正常的電壓命令，由于圖7的右側部分上下DC鏈接電容器3和4之間的電壓差，也會出現(xiàn)電壓矢量畸變。
當然，如果在上方DC鏈接電容器3兩端的電壓和下方DC鏈接電容器4兩端的電壓之間沒有差值時，即當V1=V2時，則產(chǎn)生在圖7左側部分中描述的正常電壓命令V*。
至此，需要對計算出的時間進行補償，以便補償由電壓差引起的電壓矢量畸變。
為了減小在例如V2＞V1的情況下由電壓差引起的電壓矢量畸變，需要減小為電壓u1計算的開關時間t1同時增大電壓u3計算的開關時間t3，原因是在V2＞V1的情況下產(chǎn)生的電壓矢量右偏。在這種情況下，開關時間的變化對應于V1和V2之差(即“V2-V1”或“V1-V2”)。而且，需要考慮開關時間的變化。這是因為電壓矢量畸變也分別與開關時間t1和t3成正比。
因此為了產(chǎn)生如圖4所示的正交電壓矢量，針對ON時間，以中央對準方式產(chǎn)生接通或端開變換器2的開關元件的PWM脈沖。
圖8A示出了位于受電壓u1、u2和u3影響的區(qū)Ⅰ中的命令電壓矢量，其中A-相引線的上方開關元件的開關時間Ta大于B-相引線的上方開關元件的開關時間Tb(Ta＞Tb)。圖8B示出了產(chǎn)生圖8A的命令電壓矢量的PWM脈沖的波形圖。
在對應于圖8的區(qū)Ⅰ的情況下當電壓V2高于電壓V1時，如果在沒有任何補償?shù)那闆r下施加計算出的電壓，則電壓u1高于在V1=V2的理想情況下產(chǎn)生的相關理想電壓。在這種情況下，電壓u3小于相關理想電壓。為了補償由DC鏈接電壓差引起的電壓矢量畸變，需要減小電壓u1的開關時間t1同時增大電壓u3的開關時間t3。
假設“Tsamp”表示在圖8B情況下的開關采樣時間，開關時間t1對應于Tsamp-Ta(t1=Tsamp-Ta)，開關時間t3對應于Tb(t3=Tb)。因此對于由DC鏈接電壓差產(chǎn)生的電壓矢量畸變來說，在V2＞V1的情況下，能通過增大圖8B中的開關時間Ta和Tb減小開關時間t1，增大開關時間t2。
同時，與V2＞V1的情況相反，在V1＞V2的情況下，為了實現(xiàn)理想的補償，有必要增大開關時間t1同時減小開關時間t3。
如果在與圖9的區(qū)Ⅱ相對應的情況下，當電壓V2高于電壓V1時在沒有任何補償?shù)那闆r下施加計算出的電壓，則電壓u1高于相關的理想電壓。在這種情況下，電壓u3低于相關的理想電壓。因此，為了補償由DC鏈接電壓差造成的電壓矢量畸變，有必要減小開關時間t1同時增大開關時間t3。
假設“Tsamp”表示在圖9B情況下的開關采樣時間，開關時間t1對應于Tsamp-Ta(t1=Tsamp-Ta)，開關時間t3對應于Tb(t3=Tb)。因此對于由DC鏈接電壓差產(chǎn)生的電壓矢量畸變來說，在V2＞V1的情況下，能通過增大圖8B中的開關時間Ta和Tb減小開關時間t1，增大開關時間t2。
同時，與V2＞V1的情況相反，在V1＞V2的情況下，為了實現(xiàn)理想的補償，有必要增大開關時間t1同時減小開關時間t3。在這種情況下，開關時間Ta和Tb都被縮短。
顯然，通過以上描述可見，對開關時間t1和t3的補償與命令電壓矢量位于哪個區(qū)無關。即，當電壓V2高于電壓V1時開關時間Ta和Tb都被增大，而當V2低于V1時都被縮短。
下面結合圖12B的實施例描述本發(fā)明的上和下DC鏈接電容器3和4之間電壓差的檢測，其中在檢測電流的基礎上檢測電壓差。
圖12B中的整流器元件12、上和下DC鏈接電容器3和4以及變換器2組成圖10所示的等效電路。當在等效電路的連接結構中，C-相連接到連接節(jié)點，圖11中示出了取決于變換器2的開關操作的電流流動。
圖10的等效電路可以用下列等式2表達Lleak=d|irel|dt=|Vac|-Vdc-2·VD]]>ire1=ic1+idc1,ic2+idc2V2=1C2∫ic2dt+R2·ic2----(2)]]>V1=1C1∫ic1dt+R1·ic1]]>
Vdc=V1+V2其中，Lleak表示漏電感分量，C1和C2表示上和下DC鏈接電容器3和4的各電容，R1和R2表示電容器3和4的各DC等效電阻。
圖10電路中的上和下DC鏈接電容器3和4之間的電壓差“V2-V1”可以用下面的等式3表示V2-V1=(1C2∫ic2dt+R2·ic2)-(1C1∫ic1dt+R1·ic1)----(3)]]>其中上和下DC電容器3和4有相同的電容(C=C1=C2)，而在等式3中將電阻R1和R2導致的電壓降忽略，可得到等式4V2-V1=1C1∫(ic2-ic1)dt=1C1∫(idc1-idc2)dt----(4)]]>在等式4中，“idc1-idc2”表示輸入到上和下DC鏈接電容器3和4之間的連接節(jié)點的電流量。參考圖11，可以發(fā)現(xiàn)電流“idc1-idc2”總是對應于“-ics”，與變換器2的開關狀態(tài)無關。
因此，上方DC鏈接電容器3兩端的電壓V1和下方DC鏈接電容器4兩端的電壓V2可以由下列等式5表示V2-V1=1C∫(-ics)----(5)]]>參考等式5，可以發(fā)現(xiàn)電壓V1和V2的差對應于輸入到上和下DC鏈接電容器3和4之間連接節(jié)點的電流整數(shù)值。如上所述，可以在不直接檢測的情況下用電流檢測器和積分器檢測電壓差。因此，可以直接或間接檢測電壓差。
同時，根據(jù)電壓V1和V2之差即“V2-V1”或“V1-V2”確定補償量。該補償量與電壓矢量u1的開關時間t1的畸變度和電壓矢量u3的開關時間t3的畸變度成正比。
在圖8A的區(qū)Ⅰ中的補償量可以用等式6表示ΔTa=k*(V2-V1)*t1ΔTb=k*(V2-V1)*t3 (6)其中，k表示補償常數(shù)。
參考等式6，發(fā)現(xiàn)各開關時間t1和t3的補償量ΔTa和ΔTb在V2＞V1的情況下增加，在V1＞V2的情況下減少。
另一方面，圖9A的區(qū)II中的補償量可以用下列等式7表示ΔTa=k*(V2-V1)*t3
ΔTb=k*(V2-V1)*t1 (7)其中，k表示補償常數(shù)。
參考等式6和7，可以發(fā)現(xiàn)，開關時間Ta的變化取決于開關時間t1的變化，開關時間Tb的變化取決于開關時間t3的變化。
現(xiàn)在，結合圖12B和13描述以上述方式補償開關時間的程序。
在圖12B的電路中，整流器元件12利用橋式二極管將輸入的AC電壓整流成DC電壓，然后將DC電壓施加到又由DC電壓充電的上和下DC鏈接電容器3和4上。
當被充電的電壓施加到變換器2的開關元件上時，那些開關元件執(zhí)行開關操作，使三相AC電動機1旋轉。
在三相AC電動機1旋轉期間，速度檢測器7檢測電動機1的轉速Wr，并將檢測到的轉速提供給減法器11和位置檢測器9。
位置檢測器9根據(jù)檢測到的轉速導出電動機1的轉子位置θ，然后將檢測到的轉子位置θ提供給電壓命令發(fā)生器8。
根據(jù)檢測到的轉子位置θ，電壓命令發(fā)生器8導出變換器2中A和B-相引線的各上方開關的開關時間Ta和Tb如下(圖13的步驟S100)旅行Ta=[12+12*ma*sin(θ-π6)]*Tsamp]]>Tb=[12+12*ma*sin(θ-π2)]*Tsamp]]>其中，“ma”表示調制率，“Tsamp”表示采樣時間。
此后，將導出的A-相引線的開關時間Ta與導出的B-相引線的開關時間Tb相比較(圖13的步驟S110)。
在確定A-相引線的開關時間Ta大于B-相引線的開關時間Tb的地方，用“t1=Tsamp-Ta”和“t3=Tb”導出電壓矢量u1(0,0)的開關時間t1和電壓矢量u3(1,1)的開關時間t3(圖13的步驟S120)。另一方面，在B-相引線的開關時間Tb大于A-相引線的開關時間Ta的地方，用“t1=Tsamp-Tb”和“t3=Tb”導出電壓矢量u1(0,0)的開關時間t1和電壓矢量u3(1,1)的開關時間t3(圖13的步驟S130)。
根據(jù)導出的開關時間Ta和Tb，電壓命令發(fā)生器8產(chǎn)生速度命令Wr*來控制三相AC電動機1的速度。該速度命令Wr*施加到減法器11上，減法器11又從速度命令Wr*中減去速度檢測器7檢測的三相AC電動機1的速度，于是從與速度命令Wr*導出檢測到的轉速Wr的誤差。該導出的速度誤差提供給速度控制器10。
根據(jù)速度誤差，速度控制器10產(chǎn)生加到三相電動機上的電壓電平的命令，然后將該命令加到電壓命令發(fā)生器8上。
此時，電流檢測器5檢測從上和下DC鏈接電容器3和4之間連接節(jié)點流向三相電動機1的電流，并將檢測到的電流發(fā)送到積分器6。積分器6將檢測到的電流積分，于是計算相應的電壓，電壓又加到到電壓命令發(fā)生器8上。
由電流積分得到的電壓對應于下方DC鏈接電容器4兩端的電壓V2和上方DC鏈接電容器3兩端的電壓V1之差。
代替使用電流檢測器和積分器，可以用直接檢測上方DC鏈接電容器3兩端的電壓V1和下方DC鏈接電容器4兩端的電壓V2的電壓檢測器14導出連接節(jié)點處的電壓差，如圖12A所示。導出的電壓差提供給電壓命令發(fā)生器8。
此后，電壓命令發(fā)生器8根據(jù)速度控制器10導出的命令電壓、位置檢測器9檢測的轉子位置θ和電壓檢測器14或電流檢測器5和積分器6檢測的電壓差計算開關時間的補償分量Δta和ΔTb(圖13的步驟S140和S150)。
導出的補償分量Δta和ΔTb加到在步驟S100上計算的A和B相引線的開關時間Ta和Tb上，于是導出分別反映那些補償分量Δta和ΔTb的新的開關時間Ta’和Tb，如下(圖13的步驟S160)Ta’=Ta+ΔtaTb’=Tb+ΔTb開關時間Ta’和Tb’作為選通信號加到變換器2上。根據(jù)該選通信號，變換器2的每個開關元件根據(jù)施加的其中一個相關開關時間接通或斷開，于是將三相電壓施加到三相AC電動機1上。這樣，使三相AC電動機1旋轉。
圖14A示出了在沒有進行開關時間補償?shù)牡胤绞谷郃C電動機1旋轉的速度命令，三相AC電動機1的實際速度以該命令為基礎。圖14B示出了圖14A情況下產(chǎn)生的三相電流。
參考圖14A，可以發(fā)現(xiàn)，在與50rpm的速度命令相關時存在相當大的速度脈動。參考圖14B，可以發(fā)現(xiàn)B相電流ibs小于A-相電流ias和C-相電流ics，盡管實際上平衡的三相電壓導致的平衡的三相電流的相位差為120°。也可以發(fā)現(xiàn)，B和C相基本彼此類似。
這是因為B4變換器的施加電壓矢量由于上方DC鏈接電容器兩端的電壓和下方DC鏈接電容器兩端的電壓之間的電壓差而由命令電壓發(fā)生相當大的畸變，使得不可能施加平衡的三相電壓。由于這種電壓畸變，由電動機產(chǎn)生的轉矩脈動。結果，在電動機中出現(xiàn)速度脈動。
但是，根據(jù)本發(fā)明，在與圖14A相同的情況下對開關時間作出補償，實現(xiàn)了速度脈動的減小。這可以通過圖15A所示將速度命令和實際命令相互比較看出。參考圖15B，能發(fā)現(xiàn)DC鏈接電壓vdc分配給上和下DC鏈接電容器，以便分別用電壓V1和V2為那些電容器充電和從電容器對充電電壓V1和V2放電。
當本發(fā)明應用于永磁同步電動機(PMSM)時，在上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點處的電壓差可以僅利用電流檢測方法導出，而不使用上述電流檢測器和積分器的方法。
在這種PMSM的情況下，通過允許感應電壓和相電流彼此相符合控制其電動機速度。因此，如果電動機的轉子位置已知，且假定輸入到上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的電流有C-相，則C-相電流ics可以表達如下V2-V1=-1C∫icsdt]]>ics=I·sin(ωt+2π3)]]>-1C∫icsdt=-1C∫I·sin(ωt+2π3)dt=1C·ωI·cos(ωt+2π3)]]>因此，如圖16所示。代替使用圖12B所示的電流檢測器5和積分器6，能通過用二極管和電容器組成的電流檢測器5’檢測輸入到連接節(jié)點的電流導出上和下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點處的電壓差，并對檢測到的電流和以前檢測的電動機的速度和轉子位置進行三角函數(shù)運算。
從以上描述可見，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)上和下DC鏈接電容器之間的電壓差調節(jié)將提供給三相電動機的相電壓的各開關時間，減小三相電動機中產(chǎn)生的轉矩脈動，從而實現(xiàn)可靠的速度控制。
盡管本文已對本發(fā)明的最佳實施例進行了詳細描述，但本領域的技術人員可以在不背離本發(fā)明精神的條件下進行修改和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求書限定。
權利要求
1．一種減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備，包括整流器元件，用于將輸入的AC電壓整流成DC電壓；上和下DC鏈接電容器，與整流元件并聯(lián)連接，每個DC鏈接電容器用于對DC電壓執(zhí)行充電和放電操作；變換器，與電容器并聯(lián)連接，適于根據(jù)與開關信號一起分別從電容器放電的電壓產(chǎn)生適于使三相電動機旋轉的三相電壓；電壓命令發(fā)生器，根據(jù)電容器之間的電壓差、電動機的實際轉速和命令速度之差以及電動機的轉子位置計算包括在變換器中的A和B相的開關元件的相應開關操作的補償分量，并提供包括計算出的補償分量的相應開關時間，從而控制電動機的轉速。
2．根據(jù)權利要求1的相位畸變補償設備，還包括速度檢測器，與電動機連接，適于檢測電動機的轉速；位置檢測器，與速度檢測器連接，適于根據(jù)檢測到的轉速檢測電動機的轉子位置；減法器，與位置檢測器和速度檢測器連接，適于從命令速度導出檢測到的轉速的誤差；速度控制器，與減法器的輸出連接，適于根據(jù)導出的速度誤差確定將提供給電動機的電壓電平；以及電壓檢測器，適于導出上和下DC鏈接電容器之間的電壓差。
3．根據(jù)權利要求2的相位畸變補償設備，還包括，置換電壓檢測器電流檢測器，檢測輸入到連接三相電動機的任意一相的上和下DC鏈接電容器之間連接節(jié)點的電流；以及積分器，對檢測到的電流進行積分，從而間接導出電容器之間的電壓差。
4．根據(jù)權利要求3的相位畸變補償設備，其中，電壓命令發(fā)生器根據(jù)積分器導出的電壓差、位置檢測器檢測的轉子位置和速度控制器確定的電壓電平計算A和B相的開關元件的各開關操作的補償分量。
5．根據(jù)權利要求3的相位畸變補償設備，還包括，置換電流檢測器和積分器電流檢測器包括二極管和電容器，用于檢測輸入到連接節(jié)點的電流。
6．一種減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償方法，包括以下步驟(a)根據(jù)驅動三相電動機的電壓命令，計算分別與變換器中A和B-相引線相關聯(lián)的四個開關元件中上方元件的相應開關時間(Ta和Tb)；(b)將計算出的開關時間(Ta和Tb)相互比較；(c)從Ta和Tb計算處于A和B-相引線開關狀態(tài)中下方開關的工作時間t1和從Ta和Tb計算處于A和B-相引線開關狀態(tài)中上方開關的工作時間t2，(d)在計算完開關時間(t1和t3)之后，檢測輸入到分別與變換器的A和B-相引線相連接的上下DC鏈接電容器之間的連接節(jié)點的電流，將檢測到的電流積分，從而導出上方DC鏈接電容器兩端電壓和下方DC鏈接電容器兩端電壓之間的差，(e)根據(jù)導出的電壓差，計算開關時間(Ta和Tb)的相應補償分量(ΔTa和ΔTb)，以及(f)產(chǎn)生分別反映計算出的補償分量的新的開關時間(Ta′和Tb′)，將新的開關時間提供給變換器。
7．根據(jù)權利要求6的相位畸變補償方法，其中，當下方DC鏈接電容器兩端的電壓(V2)大于上方DC鏈接電容器兩端的電壓(V1)時增大開關時間(Ta和Tb)，而當上方DC鏈接電容器兩端的電壓(V1)大于下方DC鏈接電容器兩端的電壓(V2)時縮短開關時間。
8．根據(jù)權利要求6的相位畸變補償方法，其中，用下列等式在步驟(a)中計算開關時間(Ta和Tb)Ta=[12+12*ma*sin(θ-π6)]*Tsamp]]>Tb=[12+12*ma*sin(θ-π2)]*Tsamp]]>其中，“ma”表示調制率，“Tsamp”表示采樣時間。
9．根據(jù)權利要求6的相位畸變補償方法，其中，用下列等式在步驟(c)中計算開時間(t1和t3)如果Ta≥Tb,t1=Tsamp-Ta t3=Ta如果Ta＜Tb,t1=Tsamp-Tb t3=Ta其中，“Tsamp”表示采樣時間。
10．根據(jù)權利要求6的相位畸變補償方法，其中，用下列等式在步驟(e)中計算開關時間(Ta和Tb)的補償分量(ΔTa和ΔTb)如果Ta≥Tb,ΔTa=k*(V2-V1)*t1,ΔTb=k*(V2-V1)*t3如果Ta＜Tb,ΔTa=k*(V2-V1)*t3,ΔTb=k*(V2-V1)*t1。
11．根據(jù)權利要求6的相位畸變補償方法，其中，用下列等式在步驟(f)中計算新的開關時間(Ta’和Tb’)Ta’=Ta+ΔTaTb’=Tb+ΔTb。
全文摘要
減小三相電動機中轉矩脈動的相位畸變補償設備和方法,該設備包括整流器元件,與整流元件并聯(lián)的上下DC鏈接電容器,對整流元件輸出的DC電壓執(zhí)行充放電操作;與電容器并聯(lián)根據(jù)與開關信號一起從電容器放電的電壓產(chǎn)生使三相電動機旋轉的三相電壓的變換器,電壓命令發(fā)生器,根據(jù)電容器間電壓差、電動機實際轉速和命令速度差及電動機轉子位置計算含變換器中的A和B相的開關元件的相應開關操作的補償分量,提供含計算的補償分量的相應開關時間,控制電動機的轉速。
文檔編號H02P27/04GK1325177SQ0111767
公開日2001年12月5日 申請日期2001年5月15日 優(yōu)先權日2000年5月18日
發(fā)明者李東明, 吳在胤, 鄭達浩 申請人:Lg電子株式會社