專利名稱：基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流伺服技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于電壓等效的脈寬調(diào)制 輸出的電壓補償方法。
背景技術(shù)：
交流伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主要驅(qū)動源之一，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)技 術(shù)。交流伺服系統(tǒng)這樣一種扮演重要支柱技術(shù)角色的自動控制系統(tǒng)，在許多高科技領(lǐng)域得 到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加工、機器人、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè) 備、雷達和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、以及柔性制造系統(tǒng)等在現(xiàn)代全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中，一般通過PWM (脈寬調(diào)制)技術(shù)驅(qū)動電壓源型逆變 器實現(xiàn)對永磁同步電機進行控制。逆變器中，為了避免開關(guān)器件功率模塊非理想特性導(dǎo)致 的一個橋臂上下兩功率管直通現(xiàn)象，工程應(yīng)用中必須加入死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi)，由于上 下兩功率管都沒有觸發(fā)信號，輸出電壓完全取決于輸出電流的極性，因此輸出電壓是不可 控的，其直接結(jié)果是將導(dǎo)致輸出電壓畸變。為了避免輸出電壓畸變，現(xiàn)有技術(shù)中提出了很多關(guān)于死區(qū)補償?shù)姆椒?，例如，采?反饋電流滯環(huán)判斷電流方向，修正開關(guān)器件開通時刻以實現(xiàn)死區(qū)補償，該方法不需要附加 電路，但由于采用反饋電流滯環(huán)判斷電流過零點，補償精度較低，并將導(dǎo)致輸出波形滯后； 基于實時檢測開關(guān)器件導(dǎo)通時間的死區(qū)補償和電壓檢測方法，該方法可實時精確地檢測死 區(qū)時間，有利于提高電機系統(tǒng)性能，但附加電路成本較高。但僅考慮死區(qū)效應(yīng)進行補償是存在缺陷的，這是因為開關(guān)器件的功率管及續(xù)流二 極管均存在管壓降，同時開關(guān)器件還存在硬件響應(yīng)時間等因素，而上述這些因素都會影響 輸出電壓，而現(xiàn)有技術(shù)中鮮有對上述因素進行綜合考慮的補償方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中采用脈寬調(diào)制輸出時，僅考慮死區(qū)效應(yīng)進行補償 的不足，提供一種可有效避免輸出電壓畸變，并同時將死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)器件功率管和續(xù)流二 極管管壓降以及開關(guān)器件響應(yīng)時間進行考慮基于電壓作用等效的電壓補償方法。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于，包括如下步 驟判斷永磁同步電機三相電流的方向；根據(jù)每一相的電流方向，計算每一相PWM波等效的實際輸出相電壓；對至少兩相等效的實際輸出相電壓進行補償，使得補償后三相的線電壓與理想三 相的線電壓相等。本發(fā)明中，計算兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下合成電流矢量與q軸的夾角，根據(jù)永磁 同步電機轉(zhuǎn)子電角度與dq坐標系下合成電流矢量與q軸的夾角獲取dq坐標系下合成電流矢量的角度，再根據(jù)dq坐標系下合成電流矢量的角度滯后永磁同步電機某一相電流角度 η/2，獲取該相電流角度，進而獲取永磁同步電機三相電流角度，再根據(jù)三相電流角度獲取 永磁同步電機三相電流的方向。本發(fā)明中，每一相等效的實際輸出相電壓，由每一相的PWM波的占空比、開關(guān)管壓 降、續(xù)流二級管壓降、死區(qū)時間，根據(jù)電壓面積等效進行計算，進一步，為了充分考慮各種因 素對等效的實際輸出相電壓的影響，將開關(guān)管開啟和關(guān)閉時間加入電壓面積等效計算過程。本發(fā)明中，對三相等效的實際輸出相電壓進行補償前，先獲取每一相在不同電流 方向時，等效的實際輸出相電壓與理想的輸出相電壓之間的電壓差值。根據(jù)補償時刻永磁同步電機三相電流的方向，獲取使得補償后三相的線電壓與理 想三相的線電壓相等，三相電壓補償量與三相電壓差值應(yīng)具有的對應(yīng)關(guān)系，指定三相中其 中一相的電壓補償量，進而獲取其他兩相的電壓補償量。根據(jù)補償時刻永磁同步電機三相電流的方向，獲取使得補償后三相的線電壓與理 想三相的線電壓相等，三相電壓補償量與三相電壓差值應(yīng)具有的對應(yīng)關(guān)系，對三相中其中 一相進行零電壓補償，進而獲取其他兩相的電壓補償量。對三相中，永磁同步電機電流方向不同于另外兩相的一相進行零電壓補償，使得 永磁同步電機電流諧波相對較小。對三相中，永磁同步電機電流方向相同的兩相之一進行零電壓補償，以盡可能減 小對逆變器功率管的損耗。本發(fā)明通過電壓作用等效及線電壓等效作用，來實現(xiàn)對三相等效的實際輸出相電 壓進行補償，通過電壓補償?shù)姆绞?，在完成對死區(qū)效應(yīng)補償?shù)耐瑫r，對開關(guān)器件功率管和續(xù) 流二極管管壓降以及開關(guān)器件響應(yīng)時間的影響也一并進行了處理，電壓補償量的算法簡 單、精確，具有控制效果較好，適用范圍較廣等優(yōu)點。


圖1為永磁同步電機控制的相量2為永磁同步電機相電流角度、dq坐標系下合成電流矢量角度、轉(zhuǎn)子電角度三 者之間的關(guān)系示意3為電流流入電機時永磁同步電機某一相理想輸出相電壓與實際輸出相電壓 關(guān)系示意4為電流流入電機時一個PWM周期內(nèi)開關(guān)器件功率管狀態(tài)與對應(yīng)電流流向示意 5為電流流入電機時永磁同步電機某一相等效的理想輸出相電壓示意6為電流流入電機時永磁同步電機某一相等效的實際輸出相電壓示意7為電流流出電機時永磁同步電機某一相理想輸出相電壓與實際輸出相電壓 關(guān)系示意8為電流流出電機時一個PWM周期內(nèi)開關(guān)器件功率管狀態(tài)與對應(yīng)電流流向示意 9為電流流出電機時永磁同步電機某一相等效的理想輸出相電壓示意圖
圖10為電流流出電機時永磁同步電機某一相等效的實際輸出相電壓示意圖
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。 本發(fā)明的主旨在于，在交流伺服系統(tǒng)中，通過PWM (脈寬調(diào)制)技術(shù)驅(qū)動電壓源型 逆變器實現(xiàn)對永磁同步電機進行控制在采用脈寬調(diào)制輸出時，僅考慮死區(qū)效應(yīng)進行補償?shù)?不足，從電壓補償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，同時將死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)器件功率管和續(xù)流二極管管壓降以及 開關(guān)器件響應(yīng)時間等因素均進行考慮的補償方法。本發(fā)明基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，在進行補償之前，首先需 要確定的是永磁同步電機三相電流的方向，這是進行補償?shù)幕A(chǔ)，在三相電流方向未知的 情況下，是無法進行補償操作的。常規(guī)方法是利用電流傳感器直接檢測三相電流值，進而判斷電流方向，但由于相 電流存在振蕩、PWM的開關(guān)噪聲和零電流鉗位現(xiàn)象，直接檢測電流值來判斷三相電流方向的 效果是很差的，本發(fā)明中將采用間接方法進行檢測。參見圖1，根據(jù)三相靜止坐標系到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的變換規(guī)則，兩相同步 旋轉(zhuǎn)dq坐標系下合成電流矢量Is的角度與永磁同步三相電流是存在對應(yīng)關(guān)系的，合成電 流矢量Is的角度是滯后三相中某相電流角度η/2的，當然通常是以滯后a相電流角度 η/2進行定義的。如圖1中所示，合成電流矢量Is的角度滯后a相電流IuO為π/2，而永 磁同步電機三相電流相互差η 2/3，因此得知三相中任意一相的電流角度就可以得到其他 兩相的電流角度，得到三相電流角度后，即可方便的判斷三相電流的方向。如下表所示
權(quán)利要求
基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于，包括如下步驟判斷永磁同步電機三相電流的方向；根據(jù)每一相的電流方向，計算每一相PWM波等效的實際輸出相電壓；對至少兩相等效的實際輸出相電壓進行補償，使得補償后三相的線電壓與理想三相的線電壓相等。
2.如權(quán)利要求1所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 計算兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下合成電流矢量與q軸的夾角，根據(jù)永磁同步電機轉(zhuǎn)子電角度 與dq坐標系下合成電流矢量與q軸的夾角獲取dq坐標系下合成電流矢量的角度，再根據(jù) dq坐標系下合成電流矢量的角度滯后永磁同步電機某一相電流角度π/2，獲取該相電流 角度，進而獲取永磁同步電機三相電流角度，再根據(jù)三相電流角度獲取永磁同步電機三相 電流的方向。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在 于每一相等效的實際輸出相電壓，由每一相的PWM波的占空比、開關(guān)管壓降、續(xù)流二級管 壓降、死區(qū)時間，根據(jù)電壓面積等效進行計算。
4.如權(quán)利要求3所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 將開關(guān)管開啟和關(guān)閉時間加入電壓面積等效計算。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在 于對三相等效的實際輸出相電壓進行補償前，先獲取每一相在不同電流方向時，等效的實 際輸出相電壓與理想的輸出相電壓之間的電壓差值。
6.如權(quán)利要求5所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 根據(jù)補償時刻永磁同步電機三相電流的方向，獲取使得補償后三相的線電壓與理想三相的 線電壓相等，三相電壓補償量與三相電壓差值應(yīng)具有的對應(yīng)關(guān)系，指定三相中其中一相的 電壓補償量，進而獲取其他兩相的電壓補償量。
7.如權(quán)利要求5所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 根據(jù)補償時刻永磁同步電機三相電流的方向，獲取使得補償后三相的線電壓與理想三相的 線電壓相等，三相電壓補償量與三相電壓差值應(yīng)具有的對應(yīng)關(guān)系，對三相中其中一相進行 零電壓補償，進而獲取其他兩相的電壓補償量。
8.如權(quán)利要求7所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 對三相中，永磁同步電機電流方向不同于另外兩相的一相進行零電壓補償。
9.如權(quán)利要求7所述的基于電壓等效的脈寬調(diào)制輸出的電壓補償方法，其特征在于 對三相中，永磁同步電機電流方向相同的兩相之一進行零電壓補償。
全文摘要
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中采用脈寬調(diào)制輸出時，僅考慮死區(qū)效應(yīng)進行補償?shù)牟蛔?，提供一種可有效避免輸出電壓畸變，并同時將死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)器件功率管和續(xù)流二極管管壓降以及開關(guān)器件響應(yīng)時間進行考慮的電壓補償方法。該方法通過判斷永磁同步電機三相電流的方向，運用電壓作用等效對至少兩相等效的實際輸出相電壓進行補償，使得補償后三相的線電壓與理想三相的線電壓相等。本發(fā)明電壓補償量的算法簡單、精確，具有控制效果較好，適用范圍較廣等優(yōu)點。
文檔編號H02M7/48GK101951182SQ20101026834
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者葉林華, 鄒積浩 申請人:東元總合科技(杭州)有限公司