一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法技术

一种基于精确电压死区补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，包括以下步骤：1)在电机稳定运行时，测量MCU发出的PWM波和逆变桥输出端电压波形，保存并测量功率管的开通延迟时间T

【技术实现步骤摘要】
一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法


[0001]本专利技术涉及异步电机控制领域，特别涉及一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法。

技术介绍

[0002]异步电机(Asynchronous Motor,AM)具有结构简单、可靠性高等优点，其在交流电机驱动系统中的地位与日俱增。在异步电机变频调速系统中，由于矢量控制的广泛应用，可以将异步电机励磁电流和转矩电流分开控制，达到控制直流电机的控制规律来控制异步电机。在全阶观测器中，当电机运行在低速区域时，会出现转速精度下降，带载能力减弱等问题。其主要原因是逆变器中使用的功率管不是理想的开关器件，在其开通和关断的过程中都有一定的时间延迟和管压降。同时，在死区时间的影响下，会进一步降低使输出电压畸变和幅值降低。因此，电压的误差会导致异步电机无速度传感器控制中磁链估计和转速估计误差增大，引起转矩脉动和系统稳定性变差等一系列问题。在基于模型的电机控制技术中，电压精度对控制性能影响至关重要。解决的方法有增加相电压检测传感器，但是这种方法需要增加额外的电压检测硬件电路，会增加系统成本和体积。另一种方法是设计合理的电压误差补偿策略，以抵消逆变器非线性因素的影响。
[0003]目前，电机控制领域的专家学者们为了克服逆变器非线性因素导致的电压失真问题，提出了各种死区补偿策略。补偿策略基本上可以分为两种：一类是基于平均误差电压补偿法，这种方法具有易于实现的优点；另一类方法是改变输出脉冲的占空比，但是增加了实现的复杂性。传统的死区补偿的核心是通过电流极性的判断对死区时间进行补偿，文献《异步电机矢量控制中死区补偿的仿真研究》(王君瑞,马宏兴,郭冀岭.电机与控制学报,2006,10(02):164
‑
170.)提出了一种基于电压空间矢量调制控制的死区补偿方法。该方法采用瞬时电压平均值的补偿方法，在每一个开关周期内计算误差电压平均值，但只考虑了死区时间而并未考虑开关管和二极管的开通和关断延迟时间，导致补偿的电压并不精确。文献《逆变器脉宽调制中基于脉冲的死区补偿方法》(杨燕波,吴庆彪.电力电子技术,2009,43(03):70
‑
72.)提出了一种修正死区时间的方法，即基于脉冲的死区补偿方法，该方法不足在于在死区时间过大时的补偿效果并不理想。文献《感应电机空间矢量PWM控制逆变器死区效应补偿》(王高林,于泳,杨荣峰.中国电机工程学报,2008,28(15):79
‑
83.)采用平均死区时间补偿法来补偿误差电压，但是未考虑电流极性不同时开关器件的开通延时、关断延时以及开关时间的不同。因此，如何提高死区补偿电压的精度具有重要的研究价值和应用前景。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提出一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，提高死区补偿的电压精度，无需复杂算法，便于工程实现。通过直接测得MCU发出PWM和逆变器输出端电压PWM输出波形，得到功率管导通和关闭之前的延迟时间以及开关时间，再根据所测得电流极性不同时补偿不同的延迟时间与开关时间，得到精确
电压来进行死区补偿。
[0005]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案：
[0006]一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤1)在电机稳定运行时，当A相电流小于零和大于零时，分别用示波器探头和隔离探头测得MCU发出的PWM和逆变桥输出端电压波形，保存示波器截图；
[0008]步骤2)分别测量出PWM的开通、关闭的延迟时间、上升时间以及下降时间，计算出死区补偿的精确电压；
[0009]步骤3)将d、q轴电流低通滤波，再通过反Park和反Clark变换到a、b、c三相电流进行电流极性判断，最后进行精确电压补偿。
[0010]进一步，所述步骤1)中，观察当A相电流小于零时，记录MCU发出的A相PWM波和逆变器输出的A相端电压波形；A相电流大于零时，记录MCU发出的A相PWM波和逆变器输出的A相端电压波形，通过Matlab程序绘制得到实验数据波形进行分析。
[0011]再进一步，所述步骤2)中，通过数据波形分析，当A相电流极性不同时，所分析得到的功率管的开通延迟时间T
delay_on
和开通时间T
turn_on
以及关断延迟时间T
delay_off
和关断时间T
turn_off
是不同的，与电流极性相关。
[0012]在得到计算精确电压所需要的时间之后，通过对异步电机三相交流PWM逆变器分析，得到异步电机的三相PWM逆变器A相的输出电压：
[0013]当S1取1，S4取0时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝U
DC
‑
U
IGBT
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
DC
+U
FD
；
[0014]当S1取0，S4取1时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝
‑
U
FD
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
IGBT
；
[0015]当S1取0，S4取0时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝
‑
U
FD
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
DC
+U
FD
；
[0016]S1、S4分别为A相的上、下功率管状态；U
AN
、U
FD
、U
DC
、U
IGBT
分别为A相的输出电压、续流二极管电压降、直流母线电压、功率管电压降；
[0017]当A相电流小于零时，在一个开关周期内的电压误差计算如下：
[0018]U1＝(t
off
‑
t
d
)U
IGBT
ꢀꢀꢀ
(1)
[0019][0020]U3＝(t
on
‑
T
delay
‑
off
‑
T
turn
‑
off
)U
FD
ꢀꢀꢀ
(3)
[0021][0022]U
sum
＝U1+U2+U3+U4ꢀꢀꢀ
(5)
[0023]式中，x、y为临时变量，x+y＝T
turn_off
，其中x＝U
FD
T
turn_off
/(U
DC
+U
FD
‑
U
IGBT
)，y＝T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1)在电机稳定运行时，当A相电流小于零和大于零时，分别用示波器探头和隔离探头测得MCU发出的A相PWM波和逆变器输出的A相端电压波形，保存示波器截图；步骤2)分别测量出PWM的开通、关闭的延迟时间、上升时间以及下降时间，计算出死区补偿的精确电压；步骤3)将d、q轴电流低通滤波，再通过反Park和反Clark变换到a、b、c三相电流进行电流极性判断，最后进行精确电压补偿。2.根据权利要求1所述一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，其特征在于，所述步骤1)中，观察当A相电流小于零时，记录MCU发出的A相PWM波和逆变器输出的A相端电压波形；A相电流大于零时，记录MCU发出的A相PWM波和逆变器输出的A相端电压波形，通过Matlab程序绘制得到实验数据波形进行分析。3.根据权利要求2所述一种精确电压补偿的异步电机全阶观测器低速性能提升方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过数据波形分析，当A相电流极性不同时，所分析得到的功率管的开通延迟时间T
delay_on
和开通时间T
turn_on
以及关断延迟时间T
delay_off
和关断时间T
turn_off
是不同的，与电流极性相关；在得到计算精确电压所需要的时间之后，通过对异步电机三相交流PWM逆变器分析，得到异步电机的三相PWM逆变器A相的输出电压：当S1取1，S4取0时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝U
DC
‑
U
IGBT
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
DC
+U
FD
；当S1取0，S4取1时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝
‑
U
FD
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
IGBT
；当S1取0，S4取0时，满足条件i
a
＞0，U
AN
＝
‑
U
FD
；满足条件i
a
＜0，U
AN
＝U
DC
+U
FD
；S1、S4分别为A相的上、下功率管状态；U
AN
、U
FD
、U
DC
、U
IGBT
分别为A相的输出电压、续流二极管电压降、直流母线电压、功率管电压降；当A相电流小于零时，在一个开关周期内的电压误差计算如下：U1＝(t
off
‑
t
d
)U
IGBT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)U3＝(t
on
‑
T
delay
‑
off
‑
T
turn
‑
off
)U
FD
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)U
sum
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春，刘奇，邢展鹏，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：