本發(fā)明涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)及補(bǔ)償方法和裝置。

背景技術(shù)：

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器而言，直流母線紋波對(duì)逆變器輸出PWM脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度調(diào)制失真。該直流母線紋波主要來自于兩個(gè)方面的原因：1、單相或三相交流電經(jīng)全橋整流變成的脈動(dòng)直流電包含兩倍或六倍于輸入交流電頻率的低頻紋波；2、直流母線電容的直流輸入功率和交流輸出功率無法實(shí)時(shí)匹配時(shí)，即當(dāng)逆變電壓在過零點(diǎn)附近時(shí)，交流側(cè)的瞬時(shí)輸出功率遠(yuǎn)小于直流側(cè)的輸入功率，故紋波電壓位于波峰位置；當(dāng)逆變電壓在波峰或波谷位置附近時(shí)，交流側(cè)的瞬時(shí)輸出功率遠(yuǎn)大于直流側(cè)的輸入功率，此時(shí)紋波電壓則位于波谷位置。直流母線紋波會(huì)隨著負(fù)載的增大而增大，這不光影響驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能，造成脈寬調(diào)制輸出失真，電壓、電流波形輸出畸變，輸出電流甚至?xí)霈F(xiàn)振蕩，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的停機(jī)。

現(xiàn)有的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓補(bǔ)償技術(shù)一般采用以下幾種：1.加大直流母線電容容量，增加儲(chǔ)能，濾除直流母線紋波電壓；2.加入交流電抗器或直流母線電抗器，抑制紋波電壓的產(chǎn)生；3.加入PFC(功率因素校正)電路并結(jié)合PFC軟件控制算法控制紋波電壓。

出于成本及可靠性考慮，須盡可能地減少硬件的投入，所以基于軟件的補(bǔ)償算法尤為必要。如申請(qǐng)?zhí)枮镃N02115213.6的專利《紋波幅度調(diào)制補(bǔ)償方法和裝置》和申請(qǐng)?zhí)枮镃N201410151274.0的專利《一種直流母線電壓紋波補(bǔ)償方法》，這些補(bǔ)償算法是根據(jù)當(dāng)前直流母線的電壓值進(jìn)行輸出波形調(diào)制，但這些補(bǔ)償方法始終都存在一個(gè)載波周期的時(shí)間延遲的問題。載波周期的時(shí)間延遲是由于現(xiàn)有PWM(脈寬調(diào)制)的功能局限性所致，從圖1所示可知，在CPU修改緩存器比較值后不會(huì)立即反映到硬件的輸出，需要等到下一周期，這樣就存在了一個(gè)載波周期的時(shí)間延遲。

如圖2和圖3所示，調(diào)制計(jì)算時(shí)所使用的采樣電壓值(電壓值點(diǎn)1所示)和一個(gè)載波周期后直流母線電壓值(電壓值點(diǎn)2所示)可能會(huì)相差很大。在大紋波電壓以及長(zhǎng)載波周期的情況下，載波周期時(shí)延前后的電壓差將不能被忽視。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種直流母線紋波電壓的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償方法和裝置，用于解決直流母線電壓采樣和補(bǔ)償算法實(shí)施的時(shí)間延遲，并基于該算法對(duì)直流母線紋波電壓做精確的補(bǔ)償控制，盡可能避免交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈寬調(diào)制輸出的失真，輸出電壓、電流波形的畸變，減少輸出諧波含量，提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)及補(bǔ)償方法包括如下步驟：

S1、PWM重載中斷步驟；

S2、電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理步驟；

S3、電流控制步驟，執(zhí)行電機(jī)控制算法，按磁鏈定向矢量控制得到的磁鏈控制電壓分量和轉(zhuǎn)矩控制電壓分量，經(jīng)由反PARK變換得到定子電壓參考坐標(biāo)系中alpha軸、beta軸下Ualpha電壓值和Ubeta電壓值；

S4、電壓變換步驟，使用直流母線電壓預(yù)測(cè)值Vdc，通過紋波電壓補(bǔ)償算法進(jìn)行電壓補(bǔ)償計(jì)算，得到SVPWM空間矢量調(diào)制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；

S5、PWM調(diào)整步驟，執(zhí)行SVPWM空間矢量調(diào)制算法，設(shè)定PWM緩沖寄存器，更新flag，CPU在下一重載周期自動(dòng)裝載新的值并輸出PWM波形。

優(yōu)選的，所述S2具體包括，

S21、采樣步驟，在PWM重載中斷函數(shù)中觸發(fā)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，讀取直流母線電壓值為Vdc_unfiltered；

S22、高頻濾波步驟，將采樣得到的直流母線電壓值Vdc_unfiltered濾除1KHz以上的高頻干擾信號(hào)后，高頻濾波電壓值為Vdc_filtered；

S23、硬件校準(zhǔn)步驟，讀取存貯器中校準(zhǔn)參數(shù)值，通過校準(zhǔn)算法對(duì)所述高頻濾波電壓值Vdc_filtered進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，校準(zhǔn)后電壓值為Vdc(k)；

S24、直流母線紋波電壓的局部最大值和局部最小值的獲取步驟，判斷并得到直流母線紋波電壓的窗口觀察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；

S25、預(yù)測(cè)步驟，根據(jù)預(yù)測(cè)算法得到直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)值Vdc_predicted，其中預(yù)測(cè)算法為，

Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是當(dāng)前母線電壓值；Vdc(k-1)是上次母線電壓值；Vdc_predicted母線電壓預(yù)測(cè)值；Gain是預(yù)測(cè)系數(shù)，是當(dāng)前電壓值與上次電壓值的差值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響因子，經(jīng)驗(yàn)取為0.5；

S26、預(yù)測(cè)值限幅步驟，根據(jù)限幅算法處理得到電壓預(yù)測(cè)值Vdc。

優(yōu)選的，所述S22中，使用一階IIR無限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)低通濾波器進(jìn)行濾波處理，

所述濾波處理的濾波算法為：y(k)＝b1*x(k)+b2*x(k-1)-a2*y(k-1)；其中x(k)為當(dāng)前輸入量，x(k-1)為上一次的輸入量，y(k)為輸出量，y(k-1)為上一次的輸出量；b1,b2,a2為濾波系數(shù)。

優(yōu)選的，所述S23中，所述校準(zhǔn)算法為：Vdc(k)＝k*Vdc_filtered+b，其中，k、b為校準(zhǔn)參數(shù)值。

優(yōu)選的，所述S24中，包括如下步驟，

S241，高頻濾波步驟，使用一截止頻率為600Hz的低通濾波器對(duì)校準(zhǔn)后電壓值Vdc(k)進(jìn)行濾波處理，濾波后電壓值為Vdc_ripple；

S242，對(duì)比步驟，采集一組連續(xù)的濾波后電壓值Vdc_ripple，采集時(shí)逐個(gè)比較得到這一組連續(xù)值中的臨時(shí)最大值Vdc_max*和臨時(shí)最小值Vdc_min*，然后分別更新到局部最大值Vdc_max＝Vdc_max*和局部最小值Vdc_min＝Vdc_min*，其中，比較算法為：

Vdc_max^*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple大于Vdc_max^*

Vdc_min^*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple小于Vdc_min^*

其中Vdc_max^*為臨時(shí)最大值，Vdc_max^*為臨時(shí)最小值。

優(yōu)選的，所述S26中，所述限幅算法為，

其中，限幅值Vdc_max和Vdc_min來自于所述窗口觀察器。

優(yōu)選的，所述S4中，所述紋波電壓補(bǔ)償算法為

其中y＝sgn(x)函數(shù)定義如下：

Ualpha、Ubeta是輸入電壓量，Ualpha*、Ubeta*是輸出電壓量。InvModIndex依賴于所選的調(diào)制技術(shù)，對(duì)SVPWM空間矢量調(diào)制技術(shù)和三次諧波注入調(diào)制技術(shù)該值等于0.866025.。

本發(fā)明還揭示了一種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)及補(bǔ)償裝置，包括：

PWM重載中斷單元；

電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理單元；

電流控制單元，用于執(zhí)行電機(jī)控制單元，按磁鏈定向矢量控制得到的磁鏈控制電壓分量和轉(zhuǎn)矩控制電壓分量，經(jīng)由反PARK變換得到定子電壓參考坐標(biāo)系中alpha軸、beta軸下Ualpha電壓值和Ubeta電壓值；

電壓變換單元，用于使用直流母線電壓預(yù)測(cè)值Vdc，通過紋波電壓補(bǔ)償算法進(jìn)行電壓補(bǔ)償計(jì)算，得到SVPWM空間矢量調(diào)制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；

PWM調(diào)整單元，用于執(zhí)行SVPWM空間矢量調(diào)制算法，設(shè)定PWM緩沖寄存器，更新flag，CPU在下一重載周期自動(dòng)裝載新的值并輸出PWM波形。

優(yōu)選的，所述電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理單元具體包括：

采樣子單元，用于在PWM重載中斷函數(shù)中觸發(fā)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，讀取直流母線電壓值為Vdc_unfiltered；

高頻濾波子單元，用于將采樣得到的直流母線電壓值Vdc_unfiltered濾除1KHz以上的高頻干擾信號(hào)后，高頻濾波電壓值為Vdc_filtered；

硬件校準(zhǔn)子單元，用于讀取存貯器中校準(zhǔn)參數(shù)值，通過校準(zhǔn)算法對(duì)所述高頻濾波電壓值Vdc_filtered進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，校準(zhǔn)后電壓值為Vdc(k)；

直流母線紋波電壓的局部最大值和局部最小值的獲取子單元，用于判斷并得到直流母線紋波電壓的窗口觀察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；

預(yù)測(cè)子單元，用于根據(jù)預(yù)測(cè)算法得到直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)值Vdc_predicted，其中預(yù)測(cè)算法為，

Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是當(dāng)前母線電壓值；Vdc(k-1)是上次母線電壓值；Vdc_predicted母線電壓預(yù)測(cè)值；Gain是預(yù)測(cè)系數(shù)，是當(dāng)前電壓值與上次電壓值的差值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響因子，經(jīng)驗(yàn)取為0.5；

預(yù)測(cè)值限幅子單元，用于根據(jù)限幅算法處理得到電壓預(yù)測(cè)值Vdc。

本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：解決了現(xiàn)有技術(shù)直流母線電壓采樣和補(bǔ)償方法實(shí)施的時(shí)間延遲問題，對(duì)直流母線紋波電壓做精確的補(bǔ)償控制，盡可能避免驅(qū)動(dòng)器脈寬調(diào)制輸出的失真，輸出電壓、電流波形的畸變，減少輸出諧波含量，提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：

圖1：PWM波形發(fā)生簡(jiǎn)要示意圖；

圖2：直流母線紋波電壓與時(shí)間的關(guān)系示意圖；

圖3：圖2中虛線框的放大圖；

圖4：本發(fā)明直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)步驟具體流程示意圖；

圖5：本發(fā)明直流母線紋波電壓補(bǔ)償流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖所示的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限于本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明揭示了一種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)及補(bǔ)償方法包括如下步驟：

S1、PWM重載中斷步驟；

S2、電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理步驟；

S3、電流控制步驟，執(zhí)行電機(jī)控制算法，按磁鏈定向矢量控制得到的磁鏈控制電壓分量和轉(zhuǎn)矩控制電壓分量，經(jīng)由反PARK變換得到定子電壓參考坐標(biāo)系中alpha軸、beta軸下Ualpha電壓值和Ubeta電壓值；

S4、電壓變換步驟，使用直流母線電壓預(yù)測(cè)值Vdc，通過紋波電壓補(bǔ)償算法進(jìn)行電壓補(bǔ)償計(jì)算，得到SVPWM空間矢量調(diào)制算法所需的Ualpha*和Ubeta*，所述紋波電壓補(bǔ)償算法為：

其中y＝sgn(x)函數(shù)定義如下：

Ualpha、Ubeta是輸入電壓量，Ualpha*、Ubeta*是輸出電壓量。InvModIndex依賴于所選的調(diào)制技術(shù)，對(duì)SVPWM空間矢量調(diào)制技術(shù)和三次諧波注入調(diào)制技術(shù)該值等于0.866025.。

S5、PWM調(diào)整步驟，采用上述S4得到的Ualpha*和Ubeta*，執(zhí)行SVPWM空間矢量調(diào)制算法，設(shè)定PWM緩沖寄存器，更新flag，CPU在下一重載周期自動(dòng)裝載新的值并輸出PWM波形。

優(yōu)選的，所述S2具體包括，

S21、采樣步驟，在PWM重載中斷函數(shù)中觸發(fā)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，讀取直流母線電壓值為Vdc_unfiltered；

S22、高頻濾波步驟，將采樣得到的直流母線電壓值Vdc_unfiltered濾除1KHz以上的高頻干擾信號(hào)后，高頻濾波電壓值為Vdc_filtered；具體為使用一階IIR無限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)低通濾波器進(jìn)行濾波處理，

所述濾波處理的濾波算法為：y(k)＝b1*x(k)+b2*x(k-1)-a2*y(k-1)；其中x(k)為當(dāng)前輸入量，x(k-1)為上一次的輸入量，y(k)為輸出量，y(k-1)為上一次的輸出量；b1,b2,a2為濾波系數(shù)。

S23、硬件校準(zhǔn)步驟，讀取存貯器中校準(zhǔn)參數(shù)值，通過校準(zhǔn)算法對(duì)所述高頻濾波電壓值Vdc_filtered進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，校準(zhǔn)后電壓值為Vdc(k)；所述校準(zhǔn)算法為：Vdc(k)＝k*Vdc_filtered+b，其中，k、b為校準(zhǔn)參數(shù)值。

S24、直流母線紋波電壓的局部最大值和局部最小值的獲取步驟，判斷并得到直流母線紋波電壓的窗口觀察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；具體包括如下步驟，

S241，高頻濾波步驟，使用一截止頻率為600Hz的低通濾波器對(duì)校準(zhǔn)后電壓值Vdc(k)進(jìn)行濾波處理，濾波后電壓值為Vdc_ripple；

S242，對(duì)比步驟，每隔100ms采集20個(gè)連續(xù)的濾波后電壓值Vdc_ripple，采集時(shí)逐個(gè)比較得到這20個(gè)連續(xù)值中的臨時(shí)最大值Vdc_max*和臨時(shí)最小值Vdc_min*，然后分別更新到局部最大值Vdc_max＝Vdc_max*和局部最小值Vdc_min＝Vdc_min*，其中，比較算法為：

Vdc_max^*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple大于Vdc_max^*

Vdc_min^*＝Vdc_ripple如果Vdc_ripple小于Vdc_min^*

其中Vdc_max^*為臨時(shí)最大值，Vdc_max^*為臨時(shí)最小值。

S25、預(yù)測(cè)步驟，根據(jù)預(yù)測(cè)算法得到直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)值Vdc_predicted，其中預(yù)測(cè)算法為，

Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是當(dāng)前母線電壓值；Vdc(k-1)是上次母線電壓值；Vdc_predicted母線電壓預(yù)測(cè)值；Gain是預(yù)測(cè)系數(shù)，是當(dāng)前電壓值與上次電壓值的差值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響因子，經(jīng)驗(yàn)取為0.5；

S26、預(yù)測(cè)值限幅步驟，根據(jù)限幅算法處理得到電壓預(yù)測(cè)值Vdc，所述限幅算法為，

其中，限幅值Vdc_max和Vdc_min來自于所述窗口觀察器。

本發(fā)明的直流母線預(yù)測(cè)算法及紋波電壓補(bǔ)償控制，不僅可以用于單相或三相交流變頻器，還可以用于車輛電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可變頻的逆變器以及任何需要對(duì)直流母線紋波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備。

本發(fā)明還揭示了一種交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)及補(bǔ)償裝置，包括：

PWM重載中斷單元；

電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理單元；

電流控制單元，用于執(zhí)行電機(jī)控制單元，按磁鏈定向矢量控制得到的磁鏈控制電壓分量和轉(zhuǎn)矩控制電壓分量，經(jīng)由反PARK變換得到定子電壓參考坐標(biāo)系中alpha軸、beta軸下Ualpha電壓值和Ubeta電壓值；

電壓變換單元，用于使用直流母線電壓預(yù)測(cè)值Vdc，通過紋波電壓補(bǔ)償算法進(jìn)行電壓補(bǔ)償計(jì)算，得到SVPWM空間矢量調(diào)制算法所需的Ualpha*和Ubeta*；

PWM調(diào)整單元，用于執(zhí)行SVPWM空間矢量調(diào)制算法，設(shè)定PWM緩沖寄存器，更新flag，CPU在下一重載周期自動(dòng)裝載新的值并輸出PWM波形。

優(yōu)選的，所述電壓預(yù)測(cè)值Vdc計(jì)算處理單元具體包括：

采樣子單元，用于在PWM重載中斷函數(shù)中觸發(fā)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，讀取直流母線電壓值為Vdc_unfiltered；

高頻濾波子單元，用于將采樣得到的直流母線電壓值Vdc_unfiltered濾除1KHz以上的高頻干擾信號(hào)后，高頻濾波電壓值為Vdc_filtered；

硬件校準(zhǔn)子單元，用于讀取存貯器中校準(zhǔn)參數(shù)值，通過校準(zhǔn)算法對(duì)所述高頻濾波電壓值Vdc_filtered進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，校準(zhǔn)后電壓值為Vdc(k)；

直流母線紋波電壓的局部最大值和局部最小值的獲取子單元，用于判斷并得到直流母線紋波電壓的窗口觀察器的局部最大值Vdc_max和局部最小值Vdc_min；

預(yù)測(cè)子單元，用于根據(jù)預(yù)測(cè)算法得到直流母線紋波電壓預(yù)測(cè)值Vdc_predicted，其中預(yù)測(cè)算法為，

Vdc_predicted＝Vdc(k)+[Vdc(k)-Vdc(k-1)]*Gain；其中Vdc(k)是當(dāng)前母線電壓值；Vdc(k-1)是上次母線電壓值；Vdc_predicted母線電壓預(yù)測(cè)值；Gain是預(yù)測(cè)系數(shù)，是當(dāng)前電壓值與上次電壓值的差值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響因子，經(jīng)驗(yàn)取為0.5；

預(yù)測(cè)值限幅子單元，用于根據(jù)限幅算法處理得到電壓預(yù)測(cè)值Vdc。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。