本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車(chē)控制方法及裝置，特別涉及一種電動(dòng)汽車(chē)逆變器的死區(qū)補(bǔ)償方法及裝置。

背景技術(shù)：

逆變器作為電動(dòng)汽車(chē)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響汽車(chē)的穩(wěn)定性。理想情況下三相電壓型逆變器同一橋臂中的上下功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)是互補(bǔ)的，但由于實(shí)際功率開(kāi)關(guān)器件存在開(kāi)通關(guān)斷延時(shí)，為了防止上下橋臂直通，通常在其開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間加入一段死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的存在使逆變器輸出實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓間產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致電機(jī)相電壓和相電流發(fā)生畸變、零電流箝位以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)等死區(qū)效應(yīng)，使系統(tǒng)性能降低。

死區(qū)補(bǔ)償方法大體上可分為兩類(lèi)：基于平均電壓誤差的補(bǔ)償法和基于脈沖的補(bǔ)償法。其中，前者易于實(shí)現(xiàn)，但補(bǔ)償不夠精確；后者能夠精確補(bǔ)償死區(qū)時(shí)間，但對(duì)控制芯片要求較高，要求控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)載波周期內(nèi)采樣兩次。此外，死區(qū)補(bǔ)償方法中電流極性的檢測(cè)非常重要，電流過(guò)零點(diǎn)判斷不準(zhǔn)確很可能導(dǎo)致誤補(bǔ)償。因而，如何減小死區(qū)效應(yīng)造成的電流畸變，提高逆變器運(yùn)行性能，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)都有著及其重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于提供一種基于脈沖優(yōu)化的新型死區(qū)補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了一種新型濾波器，主動(dòng)避開(kāi)“死區(qū)效應(yīng)”，有效濾除高頻分量，提高電流極性判斷的精確性，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償死區(qū)目的。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種實(shí)施上述方法的基于脈沖優(yōu)化的新型死時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的方法，包括以下具體步驟：

步驟一、電機(jī)主電路采用三相橋式電壓源型逆變器供電，電源為直流電源。

步驟二、pc機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)速傳感器采樣得到實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，電壓傳感器采樣得到電壓信號(hào)，電流傳感器采樣得到電流信號(hào)。

步驟三、采集的三相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)iα、iβ，此兩相靜止坐標(biāo)系下的電流合成為電流空間矢量is，然后通過(guò)新型濾波器濾除電流的高次諧波后判斷電流空間矢量所在的扇區(qū)，即可判斷電流方向。

根據(jù)iα=0，iα=1.732iβ，iα=－1.732iβ三條直線(xiàn)，將電流空間矢量平面分為六個(gè)區(qū)域。設(shè)定：

則電流空間矢量is所在扇區(qū)sec(is)由下式（1）確定：

sec(is)=4x+2y+z（1）

其中，x、y、z代表命題的真假；iα、iβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量。

新型濾波器firω的傳遞函數(shù)如下式表示：

式中：kr為增益，ωcut為截止頻率，ωm為電氣角頻率，s為復(fù)數(shù)變量。

步驟四、濾波后輸出的電流空間矢量引入死區(qū)補(bǔ)償模塊，得到逆變器輸出電壓uan1/uan2。

步驟五、將ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1與ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊，得到六路脈沖信號(hào)，從而控制功率器件的開(kāi)通關(guān)斷，得到三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。

步驟六、周期性判斷電流方向，并采用上述方法進(jìn)行補(bǔ)償，使得逆變器實(shí)際輸出電壓uan1\uan2與理想輸出電壓uan保持一致，即電壓偏差為零，從而避免了死區(qū)效應(yīng)給輸出電壓帶來(lái)的影響，保證電機(jī)運(yùn)行更加平滑，提高了輸出電流的正弦度。

所述的基于脈沖優(yōu)化的新型死區(qū)補(bǔ)償系統(tǒng)包括pc機(jī)、直流電源、三相橋式電壓源型逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)、脈沖驅(qū)動(dòng)裝置、電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，直流電源通過(guò)三相橋式電壓源型逆變器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，在直流電源與三相橋式電壓源型逆變器間有電壓傳感器，電壓傳感器與控制系統(tǒng)輸入端連接；在三相橋式電壓源型逆變器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的電源線(xiàn)上連接有電流傳感器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)編碼器、轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)綜合給定轉(zhuǎn)速、電壓、電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、電壓、電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊，計(jì)算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)到脈沖驅(qū)動(dòng)裝置，脈沖驅(qū)動(dòng)裝置與三相橋式電壓源型逆變器連接，其特征在于還包括死時(shí)補(bǔ)償裝置，所述的死時(shí)補(bǔ)償裝置包括死時(shí)補(bǔ)償模塊和新型濾波器；死時(shí)補(bǔ)償裝置的輸入端連接電流傳感器，輸出端連接dsp控制系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明研究了一種脈沖優(yōu)化的死時(shí)補(bǔ)償方法，該方法采用只對(duì)逆變器每相橋臂的一個(gè)開(kāi)關(guān)管加入死區(qū)的方法來(lái)避免死區(qū)效應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)設(shè)計(jì)新型濾波器對(duì)檢測(cè)到的三相電流進(jìn)行濾波，根據(jù)電流空間矢量對(duì)電流極性進(jìn)行判斷，提高電流極性判斷的準(zhǔn)確性，避免了電流過(guò)零點(diǎn)判斷不準(zhǔn)確將直接導(dǎo)致誤補(bǔ)償，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，解決了電動(dòng)汽車(chē)低速行駛帶來(lái)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，改善了電動(dòng)汽車(chē)加速性能，檢測(cè)精度高且不需要額外的硬件開(kāi)支。

附圖說(shuō)明

圖1所示是三相電壓型逆變器連接電機(jī)的主電路。圖1中，d1、d2、d3、d4、d5、d6為反向二極管；v1、v2、v3、v4、v5、v6為igbt器件，即絕緣柵雙極型晶體管；m3~為三相交流電動(dòng)機(jī)；ia為a相電流，udc為整流電壓。

圖2所示為a相橋臂開(kāi)關(guān)過(guò)程原理圖。圖2中，td為死區(qū)時(shí)間，s1、s2為開(kāi)關(guān)器件的理想通斷邏輯，s1^＇、s2^＇為開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際通斷邏輯，uan為理想輸出電壓，uan1為ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓，uan2為ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓。

圖3是本發(fā)明的電流空間矢量所在扇區(qū)圖。圖3中，a、b、c軸為互差120°的三相靜止坐標(biāo)軸，α、β軸為兩相靜止坐標(biāo)軸，u0（000）、u1（001）、u2（010）、u3（011）、u4（100）、u5（101）、u6（110）、u7（111）為電壓空間矢量us所在的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ、ⅵ為電流空間矢量is所在平面的六個(gè)區(qū)域。

圖4所示為新型濾波器firω的頻率響應(yīng)。圖4中，ω為響應(yīng)頻率，ωcut為截止頻率，ωm為電氣角頻率，ζ為阻尼比（取值0.5）。

圖5所示為a相電流輸入輸出對(duì)比圖。

圖6所示為引入補(bǔ)償后的a相橋臂開(kāi)關(guān)過(guò)程原理圖。

圖7是本發(fā)明基于脈沖優(yōu)化的新型死時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖7中，u1、三相橋式電壓源型逆變器；u2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；u3、死時(shí)補(bǔ)償裝置；u4、dsp控制系統(tǒng)；u5、pc機(jī)；u6、脈沖驅(qū)動(dòng)裝置；u7、電壓傳感器；u8、電流傳感器；u9、轉(zhuǎn)速傳感器；u10、直流電源；u11、空間矢量脈寬調(diào)制模塊，即svpwm；u12、編碼器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明方法的具體步驟：

步驟一、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主電路一般采用三相橋式電壓源型逆變器供電，電源為直流電源。由于實(shí)際功率開(kāi)關(guān)器件存在開(kāi)通關(guān)斷延時(shí)，為了防止上下橋臂直通，通常在其開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間加入一段死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的存在使逆變器輸出實(shí)際電壓與目標(biāo)電壓間產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致電機(jī)相電壓和相電流發(fā)生畸變、零電流箝位以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)等死區(qū)效應(yīng)。圖1所示是三相電壓型逆變器連接電機(jī)的主電路，規(guī)定電流由逆變器流向電機(jī)為正，反之為負(fù)。

圖2所示為a相橋臂開(kāi)關(guān)過(guò)程波形。其中，(a)為a相橋臂上下功率開(kāi)關(guān)管的理想驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(b)為加入死區(qū)后的上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(c)為理想輸出電壓uan；(d)為ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1；(e)為ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2。由圖2可見(jiàn)，加入死區(qū)時(shí)間td后，a相實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓相比，在ia>0時(shí)損失一個(gè)寬度為td的電壓脈沖，在ia<0時(shí)多出一個(gè)寬度為td的電壓脈沖。在開(kāi)關(guān)頻率不變的情況下，死區(qū)時(shí)間越大，逆變器實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓偏差越大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重，因此必須對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。

步驟二、pc機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)改變?cè)O(shè)定的轉(zhuǎn)速大小驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)過(guò)編碼器采樣得到實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，電壓傳感器采用lem公司的lv28-p電壓傳感器，經(jīng)電平處理電路、a/d采樣后，送給控制系統(tǒng)得到電流信號(hào)，電流傳感器采用lem公司的la28-np電流傳感器，經(jīng)電平處理電路、a/d采樣后，送給控制系統(tǒng)得到電流信號(hào)。

步驟三、采集的三相電流ia、ib、ic經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)iα、iβ，此兩相靜止坐標(biāo)系下的電流合成為電流空間矢量is，即is=iα+jiβ。通過(guò)新型濾波裝置濾除電流的高次諧波后判斷電流空間矢量所在的扇區(qū)，即可判斷電流方向。

圖3所示為本發(fā)明的電流空間矢量is所在扇區(qū)位置。其中a、b、c軸為互差120°的三相靜止坐標(biāo)軸，α、β軸為兩相靜止坐標(biāo)軸。與電壓空間矢量類(lèi)似，通過(guò)iα=0，iα=1.732iβ，iα=－1.732iβ三條直線(xiàn)，將電流空間矢量平面分為六個(gè)區(qū)域。設(shè)定：

則電流空間矢量is所在扇區(qū)sec(is)由下式(1)確定：

sec(is)=4x+2y+z(1)

其中，x、y、z代表命題的真假；iα、iβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)。

由于電流空間矢量需要對(duì)三相電流極性進(jìn)行檢測(cè)，即過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。但是實(shí)際控制系統(tǒng)中受逆變器非線(xiàn)性與死區(qū)的影響，采樣的電流存在(6k±1)*ω次諧波成分以及開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的高頻噪聲，并且會(huì)產(chǎn)生零電流箝位現(xiàn)象，造成電流極性判斷的不準(zhǔn)確。所以在電流幅值很小的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，無(wú)法完全對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，死區(qū)效應(yīng)影響依然存在，特別是輕載情況下影響更為嚴(yán)重。為了減小電流過(guò)零時(shí)存在的高頻噪聲與零電流箝位現(xiàn)象的影響，提高電流檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)死區(qū)的優(yōu)化補(bǔ)償，因此需要對(duì)三相電流濾波。傳統(tǒng)濾波方法會(huì)導(dǎo)致電流信號(hào)相位偏差，針對(duì)此問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種新型濾波器對(duì)電流進(jìn)行濾波，解決了電流過(guò)零點(diǎn)采樣帶來(lái)的問(wèn)題，更準(zhǔn)確地判別電流空間矢量所在的扇區(qū)。

新型濾波器firω的傳遞函數(shù)如下式表示：

式中：kr為增益，ωcut為截止頻率，ωm為電氣角頻率，s為復(fù)數(shù)變量。

為了便于分析，令firω的截止頻率ωcut=ζ*ωm，根據(jù)自動(dòng)控制原理的理論分析可知firω的傳遞函數(shù)類(lèi)似于二階系統(tǒng)，ζ為二階系統(tǒng)的阻尼比。圖4所示為firω的頻率響應(yīng)，其中對(duì)應(yīng)的截止頻率ωcut為0.5*62.8rad/s。當(dāng)ωcut較大時(shí)，阻尼比ζ較大，根據(jù)二階系統(tǒng)的時(shí)域特性可知，響應(yīng)速度較快且超調(diào)量較小，濾波器輸出電流能較好地跟蹤輸入電流，輸入電流中諧波成分以及高頻干擾幅值衰減較小，影響濾波效果；當(dāng)ωcut較小時(shí)，在ω=ωm頻段幅值與相位不會(huì)改變，諧波成分以及高頻干擾衰減較大，諧波成分大大減少，但是此時(shí)阻尼比ζ太小，濾波器輸出電流的響應(yīng)速度變得很慢，短時(shí)間內(nèi)難以跟蹤輸入電流，因此ωcut較小時(shí)仍會(huì)影響電流極性判斷。綜上所述，為了起到更好的濾波效果，需要合適選取ωcut的數(shù)值，通常取阻尼比ζ=0.4～0.8為宜。根據(jù)圖4可知，firω濾波器輸出電流不存在相位偏移，諧波成分以及高頻噪聲衰減較大，因此該新型濾波器可以很好地濾除諧波成分以及高頻噪聲的干擾。圖5所示為a相電流輸入輸出對(duì)比圖，可以看出a相電流經(jīng)過(guò)新型濾波器后濾掉了高頻分量，且未發(fā)生相位偏移，從而可以更精確的判斷電流極性。

步驟四、濾波后輸出的電流空間矢量引入新型死區(qū)補(bǔ)償模塊，得到逆變器輸出電壓uan1/uan2。

仍以圖1中逆變器a相為例，當(dāng)ia>0時(shí)，若上管v1驅(qū)動(dòng)信號(hào)s1為高，下管v2驅(qū)動(dòng)信號(hào)s2為低，即v1開(kāi)通，v2關(guān)斷，則a相輸出電壓uan為高；當(dāng)s1變?yōu)榈?，v1關(guān)斷，由d2續(xù)流，輸出電壓uan為低，此時(shí)即使s2為高，v2仍然不能開(kāi)通。由此可見(jiàn)，當(dāng)ia>0時(shí)，a相輸出電壓uan僅由上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s1決定，此時(shí)上橋臂為受控橋臂，下橋臂為不控橋臂。同理，當(dāng)ia<0時(shí)，a相輸出電壓uan僅由下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)s2決定，此時(shí)下橋臂為受控橋臂，上橋臂為不控橋臂。

基于以上分析，當(dāng)ia>0時(shí)，保持上管v1驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，下管v2提前td關(guān)斷并延遲td開(kāi)通；當(dāng)ia<0時(shí)，保持v2驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，v1延遲td開(kāi)通并提前td關(guān)斷，即可使逆變器實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓一致。

圖6所示為引入補(bǔ)償后的a相橋臂開(kāi)關(guān)過(guò)程波形。其中，(a)為a相橋臂上下功率開(kāi)關(guān)管的理想驅(qū)動(dòng)信號(hào)；(b)為ia>0時(shí)的死區(qū)補(bǔ)償原理；(c)為ia<0時(shí)的死區(qū)補(bǔ)償原理；(d)為理想輸出電壓uan，(e)為采用此死區(qū)補(bǔ)償方法后，ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1與ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2。由圖5可見(jiàn)，采用上述死區(qū)補(bǔ)償方法后，實(shí)際輸出電壓uan1\uan2與理想輸出電壓uan一致，即電壓偏差為零，從而避免了死區(qū)效應(yīng)給輸出電壓帶來(lái)的影響。

步驟五、將ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1與ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊u11，得到六路脈沖信號(hào)，輸入到脈沖驅(qū)動(dòng)裝置u6，從而控制三相橋式電壓源型逆變器u1中功率器件的開(kāi)通關(guān)斷，得到三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)u1的運(yùn)行。

步驟六、周期性判斷電流空間矢量所在扇區(qū)來(lái)補(bǔ)償逆變器死區(qū)效應(yīng)帶來(lái)的電壓偏差，使得逆變器輸出電壓呈圓形軌跡，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)u1運(yùn)行更加平滑，提高了輸出電流的正弦度。

如圖7所示，本發(fā)明所述的基于脈沖優(yōu)化的新型死區(qū)補(bǔ)償系統(tǒng)包括pc機(jī)u5、直流電源u10、三相橋式電壓源型逆變器u1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)u2、dsp控制系統(tǒng)u4、脈沖驅(qū)動(dòng)裝置u6、電壓傳感器u7、電流傳感器u8和轉(zhuǎn)速傳感器u9，直流電源u10通過(guò)三相橋式電壓源型逆變器u1與驅(qū)動(dòng)電機(jī)u2連接，在直流電源u10與三相橋式電壓源型逆變器u1間有電壓傳感器u7，電壓傳感器u7與控制系統(tǒng)u4輸入端連接；在三相橋式電壓源型逆變器u1與驅(qū)動(dòng)電機(jī)u2之間的電源線(xiàn)上連接有電流傳感器u8，驅(qū)動(dòng)電機(jī)u2通過(guò)編碼器u12、轉(zhuǎn)速傳感器u9將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)u4；控制系統(tǒng)u4綜合轉(zhuǎn)速、電壓、電流信號(hào)與反饋轉(zhuǎn)速、電壓、電流信號(hào)輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊u11，計(jì)算出空間矢量調(diào)制的占空比，通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)裝置u6與三相橋式電壓源型逆變器u1連接；其特征在于還包括死時(shí)補(bǔ)償裝置u3，所述的死時(shí)補(bǔ)償裝置u3包括死時(shí)補(bǔ)償模塊和新型濾波器，死時(shí)補(bǔ)償裝置u3的輸入端連接電流傳感器u8，輸出端連接dsp控制系統(tǒng)u4。

工作原理：

電流傳感器u8采集三相電流ia、ib、ic，經(jīng)3s/2s坐標(biāo)變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號(hào)iα、iβ，由于設(shè)計(jì)新型濾波器對(duì)檢測(cè)到的三相電流進(jìn)行濾波，提高電流極性判斷的準(zhǔn)確性，此時(shí)兩相靜止坐標(biāo)系下的電流合成為電流空間矢量is，即is=iα+jiβ。

死時(shí)補(bǔ)償裝置u3采用可編程邏輯單元，通過(guò)并行運(yùn)算結(jié)合公式(1)能在一個(gè)采樣周期ts內(nèi)快速準(zhǔn)確判斷出電流空間矢量is所在的扇區(qū)，然后根據(jù)圖6來(lái)輸出理想的電壓值uan。

控制系統(tǒng)u4將補(bǔ)償后的電壓uan1/uan2輸入到空間矢量脈寬調(diào)制模塊u11，得到六路脈沖信號(hào)，輸入到脈沖驅(qū)動(dòng)裝置u6，從而控制三相橋式電壓源型逆變器u1中功率器件的開(kāi)通關(guān)斷，得到三相輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)u1的運(yùn)行，使得逆變器并網(wǎng)電壓呈圓形軌跡，同時(shí)提高了輸出電流的正弦度，有效降低電壓畸變率，避免死區(qū)效應(yīng)帶來(lái)的影響。