感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的方波畸變補(bǔ)償裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，詳細(xì)講是一種對邊沿斜率畸變引起 的難以量化的誤差電壓進(jìn)行補(bǔ)償，改善了濾波后相位滯后現(xiàn)象，電流極性判斷精準(zhǔn)，系統(tǒng)方 波畸變補(bǔ)償效果佳，交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能好的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的方波畸變 補(bǔ)償裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 我們知道，在科技高速發(fā)展的今天，交流感應(yīng)電機(jī)（ACHM)的控制理論日趨成熟， 但由于在建立控制算法的過程中對逆變器和信號調(diào)理環(huán)節(jié)的特性進(jìn)行了理想化，因而往往 不能直接在實(shí)際系統(tǒng)中得到預(yù)期的效果。造成這種障礙的基礎(chǔ)性問題是逆變器的方波輸出 畸變，方波輸出畸變問題是電壓源型逆變器（VSI)的共性問題，其不但削弱了電機(jī)控制系 統(tǒng)性能，也限制了先進(jìn)控制算法的優(yōu)越性。如圖1所示，為了防止上、下橋同時開通，需要在 理想PWM信號中加入死區(qū)時間；為了保證VSI中并聯(lián)的多個開關(guān)器件可以被安全、可靠地驅(qū) 動，往往需要加入信號放大器件、信號隔離器件等。圖中電平轉(zhuǎn)換、隔離、高低端驅(qū)動、推挽 等電路環(huán)節(jié)構(gòu)成了 PWM方波信號的傳遞環(huán)節(jié)。這些類似的方波信號調(diào)理環(huán)節(jié)都不可避免地 使VSI輸出的方波產(chǎn)生畸變，PWM方波畸變的形式主要有四種：幅值畸變、相位畸變、占空比 畸變、邊沿斜率畸變。造成PWM方波畸變的主要因素有：
[0003] (1)在PWM信號中加入死區(qū)時間；
[0004] (2)傳遞環(huán)節(jié)開啟/關(guān)斷延遲；
[0005] (3)傳遞環(huán)節(jié)開啟/關(guān)斷特性不一致；
[0006] (4)電壓源型逆變器的開啟/關(guān)斷延遲；
[0007] (5)電壓源型逆變器的開啟/關(guān)斷特性不一致；
[0008] (6)電壓源型逆變器的正向?qū)▔航岛投O管壓降；
[0009] (7)功率開關(guān)器件的寄生電容。
[0010] 上述這些因素與PWM方波畸變的因果關(guān)系如圖2。
[0011] 如圖3所示，由于在理想PWM信號中加入死區(qū)時間，波形由理想的互補(bǔ)方波PWM#1變?yōu)镻WM#2;PWM #2信號經(jīng)過方波信號調(diào)理環(huán)節(jié)后輸入給VSI，輸出波形為PWM#3'，這個信號直 接驅(qū)動VSI的開關(guān)器件。
[0012] UIdeal在圖中作為參考波形，由PWM#1產(chǎn)生，它的作用效果等同于算法中的目標(biāo)相電 壓If。Ufctual是VSI輸出端的實(shí)際波形。與PWM#3波形相比，由于開關(guān)器件的開啟/關(guān)斷延 遲，Ufctual產(chǎn)生了占空比的變化。同時，Ufctual的幅值也受到正向?qū)▔航礥 SAT和二極管壓降 UD的影響。Δυ表示理想輸出電壓UIdEal與實(shí)際輸出電Sufctual之間的差值。利用圖3就可 以對幅值畸變、相位畸變、占空比畸變的影響進(jìn)行量化。
[0013] 相位畸變對系統(tǒng)幾乎沒有影響，幅值畸變和占空比畸變則使實(shí)際輸出的相電壓與 理想相電壓之間出現(xiàn)難以忽略的誤差，該電壓誤差使控制系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)下降，降低整體性 能。由幅值畸變和占空比畸變造成的電壓誤差比較容易進(jìn)行量化，利用PWM的平均值原理 就可以計(jì)算出每個周期造成的誤差電壓大小。
[0014] 對圖3的方波畸變過程進(jìn)行詳細(xì)分析后，可以推導(dǎo)出U相的誤差電壓表達(dá)式（V相 和W相形式相同）：
[0021] 在上面表達(dá)式中，Td為程序中設(shè)置的死區(qū)時間；
分別為方波信號調(diào)理環(huán) 節(jié)的開啟和關(guān)斷延遲：
'分別為VSI的開啟和關(guān)斷延遲。正向?qū)▔航礥SAT和二極 管壓降UD;T_P為補(bǔ)償時間，是Up"的主要分量，同時Up"是Δυ,的主要組成部分；CT是程 序內(nèi)的目標(biāo)電壓，其變化范圍是_UDe/2~UDe/2山是U相電流，符號函數(shù)sgn (i用于獲取 U相電流極性。
[0022] 式（a)定義的電壓誤差公式實(shí)質(zhì)就是U相需要補(bǔ)償?shù)碾妷捍笮?，通過公式計(jì)算出 補(bǔ)償電壓后，將其疊加到目標(biāo)輸出電壓上，就可以完成對方波幅值畸變、占空比畸變的前饋 補(bǔ)償。分析公式（a)可知，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的補(bǔ)償，需要獲得補(bǔ)償電壓大小和補(bǔ)償時機(jī)兩個重要 信息，如果不能準(zhǔn)確把握這兩點(diǎn)，將會導(dǎo)致補(bǔ)償效果不理想，甚至加重波形畸變。
[0023] 誤差電壓幅值由式（b)中Up"和式（c)中Usub定義，公式中U DC和?Γ兩項(xiàng)容易獲?。?USAT和U D的值可通過技術(shù)手冊獲得。U _表達(dá)式中的補(bǔ)償時間Τ _ρ由死區(qū)時間、由于PWM傳 遞環(huán)節(jié)引起的電平時間變化和功率器件的開啟/關(guān)斷延遲時間組成，是誤差電壓的主要組 成部分。
[0024] 如圖4所示，圖中端電壓的邊沿不是按類似階躍的規(guī)律變化，而是沿斜坡緩慢上 升/下降。這一現(xiàn)象主要是由于開關(guān)器件中的二極管和寄生電容引起的，而且在電流幅值 較小時更加明顯。當(dāng)電流幅值小于某一閾值時，開始出現(xiàn)端電壓波形邊沿斜率畸變，在相電 流小于零時，端電壓波形的上升沿發(fā)生斜率畸變，在相電流大于零時，端電壓波形的下降沿 發(fā)生斜率畸變；端電壓邊沿斜率的變化率和寄生電容容抗成反比，和電流的幅值大小成正 比。
[0025] 從圖4中可以知道，在電流過零時，方波邊沿斜率畸變使相電壓產(chǎn)生了另外一部 分誤差。由于受到開關(guān)器件微觀寄生參數(shù)、工況等因素的嚴(yán)重影響，該部分誤差的量化較為 困難，而且不容易進(jìn)行補(bǔ)償。
[0026] 隨著基于VSI的電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用日漸廣泛，方波畸變問題宏觀上所造成的效率 損失、能量損失及其他性能損失日益受到關(guān)注，尤其是在某些高性能場合，對方波畸變進(jìn)行 有效補(bǔ)償成為提高電機(jī)系統(tǒng)性能的必須手段?，F(xiàn)有的對方波畸變進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)碾娐芳胺?法種類繁多。但均存在對邊沿斜率畸變引起的難以量化的誤差電壓無法進(jìn)行補(bǔ)償，濾波后 相位滯后、電流極性判斷的誤差大，系統(tǒng)方波畸變補(bǔ)償效果差，交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的整 體性能低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 本實(shí)用新型的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對邊沿斜率畸變引起的 難以量化的誤差電壓進(jìn)行補(bǔ)償，改善了濾波后相位滯后現(xiàn)象，電流極性判斷精準(zhǔn)，系統(tǒng)方 波畸變補(bǔ)償效果佳，交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能好的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的方波畸變 補(bǔ)償方法及裝置。
[0028] 本實(shí)用新型解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足所采用的技術(shù)方案是：
[0029] -種感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的方波畸變補(bǔ)償裝置，其特征在于包括微控制器、電壓 采集裝置、比較器、D/A轉(zhuǎn)換電路、電流傳感器、編碼器、信號傳遞環(huán)節(jié)和電壓源型逆變器 (VSI);電壓采集裝置包括四路分壓電路，其中三路分壓電路的輸入端分別與交流感應(yīng)電機(jī) 的三相電源接線相連、輸出端分別與三個比較器的反相輸入端相連，一路分壓電路的輸入 端與電壓源型逆變器的直流母線相連、輸出端與三個比較器的同相輸入端相連，三個比較 器的輸出端分別與微控制器的三個捕捉輸入引腳相連，電流傳感器的輸入端與交流感應(yīng)電 機(jī)的三相電源接線的任意兩根相連，電流傳感器的輸出端分別與微控制器的兩個模擬量輸 入引腳相連，編碼器輸入端與交流感應(yīng)電機(jī)輸出軸相連，編碼器輸出端與微控制器的兩個 編碼器輸入引腳相連；微控制器的（六路）PWM輸出引腳分別與信號傳遞環(huán)節(jié)的輸入端相 連，信號傳遞環(huán)節(jié)的（六路）輸出端分別與電壓源型逆變器的（六個全控器件的）控制極 相連；電壓源型逆變器的三路輸出端與交流感應(yīng)電機(jī)的三相電源接線相連。
[0030] 工作時，電流傳感器采集交流感應(yīng)電機(jī)任意兩相電流，傳感器輸