逆变器非线性补偿技术研究综述

魏 超, 李红梅, 张恒果

(合肥工业大学，合肥 230009)



逆变器非线性补偿技术研究综述

魏 超, 李红梅, 张恒果

(合肥工业大学，合肥 230009)

由死区时间和开关管非理想开关特性引起的逆变器非线性对交流电机驱动系统产生很多不利影响，如导致逆变器输出电压和电流波形畸变及逆变器供电的交流电机驱动系统出现转矩脉动等问题，直接影响交流电机驱动系统的高性能控制及其无位置传感器运行，亟需对逆变器非线性实施合理补偿。为此，论文首先分析逆变器非线性对开关管有效导通时间和逆变器输出电压的影响，然后总结现有逆变器非线性补偿技术研究现状，并对现有逆变器非线性补偿技术进行分类和比较。最后，揭示逆变器非线性补偿亟需解决的关键技术并展望其未来的发展方向，旨在实现逆变器供电的交流电机驱动系统的高性能鲁棒运行。

逆变器非线性；开关管有效开通时间；逆变器输出电压；非线性补偿；交流电机驱动系统

0 引 言

随着功率开关管器件开关频率的提高，在逆变器中获得成功应用的PWM控制推动了电机驱动控制技术的发展，PWM逆变器具有输出波形好且能抑制或消除某些特定次谐波等技术优点，广泛应用于中低频领域。但是，逆变器实际输出电压和电流波形易受到逆变器非线性特性的影响而产生畸变[1-3]。逆变器的非线性特性主要来源于功率开关器件设置的死区时间、非理想开关特性以及实际存在的开关器件的寄生电容[4-7]。死区时间是为了保证逆变器安全工作，避免逆变器同一桥臂上下两个功率开关器件的同时导通，通常在驱动信号中加入的驱动延时；非理想开关特性主要指功率开关器件存在的导通压降、开通延迟以及关断延迟。此外，逆变器输出电压的上升和下降速度受到开关器件寄生电容的较大影响，使逆变器输出电压呈现梯形波。并且，在很高的开关频率或较低的输出电压时，极小的死区时间将大幅增加逆变器输出电压的谐波含量，导致电机产生转矩脉动[3]。

对于无位置传感器的交流电机矢量控制系统[8-10]或直接转矩控制系统[11]，需要准确获取逆变器输出电压，为了简化系统硬软件设计和实现，常采用逆变器输入电压来代替逆变器输出电压，然而由于逆变器非线性的存在，逆变器输入和输出电压之间存在偏差，偏差电压的存在将直接影响系统的稳态和动态性能。

为了实现逆变器供电的电机驱动系统高性能控制及其安全可靠运行，逆变器非线性的合理补偿技术逐渐引起研发关注并已取得了若干可供借鉴的研究成果。为此，论文首先分析逆变器非线性对其输出电压的影响；然后对现有逆变器非线性补偿研究成果进行归纳和比较，总结既有技术的优缺点，再揭示逆变器非线性补偿亟需关注的研究问题并展望其未来的发展方向。

1 逆变器非线性对其输出电压的影响

逆变器主电路结构图如图1所示，其中，o表示电机的中性点，N为电源的接地端。

图1 逆变器主电路结构图

逆变器输出电压(相对于接地端N)：

其中：vAN(t),vBN(t),vCN(t)分别表示电机A,B,C三相相电压。

电机的相电压表达式：

式中：vao(t),vbo(t),vco(t)分别表示电机A,B,C三相相电压。逆变器输出电压与电机相电压间的关系：

由(3)式和(4)式可得：

将(5)式代入(3)式可得：

根据逆变器输出电压，再基于式(6)即可直接获得电机相电压。

图2 死区时间内A相电流通路

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

A相电流小于零时的分析类似，因此考虑电流方向后的开关管有效导通时间偏差ΔTerr：

考虑逆变器开关管导通压降、二极管导通压降和逆变器死区时间引起的开关管有效导通时间偏差，基于伏秒平衡原理，一个PWM周期内逆变器非线性引起输出电压平均偏差Verr可表示：

式中：Vdc表示逆变器直流母线电压，Ts为PWM一个开关周期。

逆变器A相输出电压平均偏差：

其余相的分析同A相类似。

逆变器死区时间设定后通常保持不变，而ton，toff，Vs和Vd随着系统运行条件，如母线电压、电机相电流和温度变化而发生变化[12]，特别是在交流电机低速变频运行时，逆变器非线性直接影响交流电机系统的控制精度、运行性能和稳定性[8]，亟需对逆变器非线性进行合理补偿。

2 逆变器非线性补偿技术

逆变器非线性的存在将引起逆变器开关管有效导通时间偏差和逆变器输出电压平均偏差，因此，根据补偿目标的不同，可以将逆变器非线性补偿技术划分为基于时间的补偿法和基于电压的补偿法两类。

2.1 基于时间的补偿法

基于时间的补偿法是从逆变器非线性引起的开关管有效导通时间偏差着手，调整功率开关管导通时间进行死区补偿的方法[3，13-19]。由式(8)可知，如果对逆变器非线性引起的开关管有效导通时间偏差实施合适的补偿，需要准确获得Terr和电流极性。

2.1.1 Terr的获取

获取Terr的方法可划分为硬件实现方法[4，13-14]和软件实现方法[15-19]。硬件实现方案之一是只考虑死区时间对开关管开通信号的影响，根据电流极性在开关管开通信号中加上或减去死区时间，进而抵消死区时间的影响[4，13]。但该方案没有计及逆变器非理想开关特性以及其实际存在的开关器件的寄生电容非线性因素的影响，造成补偿不精确；而且该补偿方法依赖电流极性的准确获取，但是零电流钳位现象的存在，将导致直接获取的电流极性存在极性误判现象[7]。硬件实现方案中的另一种代表方案是采用光耦获取各相的输出脉冲，使用DSP的脉冲捕获单元获得脉冲实际宽度，再与指令脉冲宽度相比较获取Terr[14]。该方案的优点是获得的Terr已包含电流极性，但其主要不足是硬件实现增加系统成本，而且硬件实现本身也难免存在误差。

软件实现方案之一是根据式(8)计算Terr[15]。Terr包含Td，toff，ton，Td预先设定并保持不变，toff，ton通过实验离线测得。该方案的不足在于没有考虑开关管实际流过的电流大小对toff，ton的影响[20]，因此实验离线测得的 与实际值相比不可避免地存在误差。对于电流极性的获取，利用电流矢量所在扇区与电流极性存在的关系进行判别，如表1所示，该方法能够避免零电流钳位现象导致的电流极性误判，因而被广泛应用。

另外一种软件实现方案是基于扰动观测器观测出q轴由逆变器非线性引起的电压误差，然后通过PI调节器输出逆变器非线性引起的Terr[16]，且此时获得的Terr中已包含电流极性。该方案具有成本低和易于实现的优点，遗憾的是该方案在进行扰动观测器设计时假定电机参数在运行过程中不发生变化，而实际电机参数会因工况和温度而发生变化，因此，Terr的获取依然存在误差。

时间补偿法虽然可以基于表1来准确获得电流极性，但是该方法不能准确获取逆变器非线性引起的误差时间Terr，而且该方法需要对每个脉冲逐一检查和补偿，补偿难度较大，因此，该方法目前已很少采用。

表1 电流矢量所在扇区与电流极性关系

2.2 基于电压的补偿法

基于电压的补偿法是从逆变器参考电压入手，通过对逆变器参考电压实施补偿来消除逆变器非线性所引起的逆变器输出电压平均偏差。由式(10)可知对逆变器非线性实施补偿需要准确获取Verr和电流极性。目前，基于电压的补偿法主要可分为平均电压补偿法[20-26]和基于观测器的在线补偿法[26-41]两种。

2.2.1 平均电压补偿法

平均电压补偿法的实现思路是在已知逆变器Td,ton,toff,Vs和Vd的条件下，根据式(9)得到Verr，再根据电流极性将Verr补偿到逆变器参考电压中。早期文献只考虑Td对逆变器输出电压的影响[20],根据平均电压理论直接计算出Verr，忽略了ton,toff,Vs和Vd对逆变器输出电压的影响，不能实现准确补偿，而且在电流极性判别时由于零电流钳位现象的存在使得电流穿越零点检测困难而出现电流极性误判。为此，文献[26]计及ton,toff,Vs和Vd的影响进行逆变器非线性的补偿，鉴于ton,toff,Vs和Vd很难实现在线获取，这些参数只能通过实验离线测得，但是ton,toff,Vs和Vd的实际大小与流过开关管电流大小密切相关，实验离线测得值与实际值之间存在偏差。电流极性判断采用应用较为广泛的基于表1的电流矢量所在扇区与电流极性存在的关系进行间接获取的方法。

平均电压补偿法虽然可以较为准确地判别出电流极性，但是Verr的获取仍然存在偏差，不能准确获取计及逆变器非线性特性后引起的逆变器输出电压平均偏差，因此，平均电压补偿法难以实现逆变器非线性的合理补偿。

2.2.2 基于观测器的在线补偿法

基于观测器的在线补偿法实现思路是在同步旋转的dq坐标系下，将逆变器非线性引起的逆变器输出电压平均偏差视为扰动电压，设计观测器观测出此扰动电压，并将其直接补偿到逆变器参考电压中，且此方法无需获取电流极性。与平均电压补偿法相比，基于观测器的在线补偿法可以对逆变器输出电压进行实时监控，无需设计实验离线测得逆变器功率开关器件导通压降等参数，补偿精度较高。为此，国内外学者在这方面已开展了大量的研究，并已取得了若干可供借鉴的研究成果。实现方案之一是基于扰动观测器的在线补偿法[29-33]。在非常短的开关周期内，假定系统电气参数近似不变，Verr也视作近似不变，即Verr(k-1)近似等于Verr(k)。设计扰动观测器观测Verr(k-1)，再基于Verr(k)=Verr(k-1)的假定，将Verr(k)直接补偿到逆变器参考电压中。由于Verr(k-1)包含高次谐波，因此在进行直接补偿前需要加入一级低通滤波器环节，以提高补偿精度[29]。为了解决低通滤波器引入的相位延迟问题，可通过模型参考自适应控制(MRAC)计算出Verr(k-1)的幅值Ap(k-1)[33]，假定在一个开关周期内Ap不变，即Ap(k-1)近似等于Ap(k)，则根据Ap(k)和Verr(k)之间的三角函数关系求得Verr(k)，避免相位滞后。另一种实现方案是基于模型参考自适应观测器的在线补偿法，其实现思路是利用参考模型和实际模型获得误差模型，设计模型参考自适应观测器并基于李雅普诺夫函数观测出Verr[35-37]。

3 逆变器非线性补偿亟需解决的关键技术

基于平均电压补偿的逆变器非线性补偿技术依赖于电流极性的准确判别，现有的解决措施主要是利用间接的方法获取电流极性，不可避免地存在相位延迟等问题。

无论是基于扰动观测器的在线补偿法还是基于模型参考自适应观测器的在线补偿法，存在的主要技术不足是忽略电机参数变化对逆变器非线性补偿的影响。为此，考虑电机参数变化对逆变器非线性补偿的影响是逆变器非线性补偿迫切需要解决的关键技术之一。目前的解决方案是在对逆变器实施非线性补偿之前，首先设计模型参考自适应观测器观测出由电机参数变化引起的电压偏差，并对逆变器参考电压实施补偿抵消参数变化对逆变器非线性补偿的影响；然后再设计模型参考自适应观测器[37]或提取由逆变器非线性对dq轴电流引起的六次谐波特征，并通过PI调节器[39]在线获得逆变器非线性引起的逆变器输出电压平均偏差,然后再对逆变器实施补偿，但是两次补偿增加了系统设计的复杂度和实际应用的难度。

4 结 语

逆变器实际存在的非线性特性导致逆变器输出电压和电流波形畸变及逆变器供电的交流电机驱动系统出现转矩脉动等问题，直接影响交流电机驱动系统的高性能控制及其无位置传感器控制性能。论文首先分析逆变器非线性对逆变器输出电压的影响，给出了计算逆变器开关管有效导通时间偏差和逆变器输出电压平均偏差数学表达式，然后对现有的逆变器非线性补偿方法进行梳理，并归为基于时间的补偿法和基于电压的补偿法两大类。经分析给出了基于时间补偿法因补偿难度较大而已很少采用的结论，目前国内外的研究热点已转向基于观测器的在线补偿法，但仍然存在如何简化系统设计，有效克服电机参数变化对逆变器非线性补偿的影响并提升补偿精度和快速性等亟需解决的关键技术问题。

MichelFliess提出的无模型控制[42](ModelFreeControl,MFC)无需被控对象的模型阶次与参数信息，仅需系统输入和输出数据即可建立系统的超局部模型再实施控制，对系统存在的内外扰动、未建模动态及测量噪声具有较强的鲁棒性，控制器的设计具有简单有效及整定参数少的技术优势。为此，逆变器供电的交流电机驱动系统，基于计及逆变器非线性及电机参数不确定性超局部模型的MFC，有望成为解决存在电机参数不确定性的交流电机驱动系统在实现逆变器非线性合理补偿同时，兼顾获得高性能鲁棒控制的一体化解决方案。

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A Review of Researches on the Inverter Nonlinear Compensation Technology

WEIChao,LIHong-mei,ZHANGHeng-guo

(Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

The inverter nonlinearity caused by the dead time and non-ideal switch characteristic leads to the negative influence on AC motor drive system, such as the distortion of inverter's output voltage and current and torque ripples of AC motor drive system, which directly affect its high performance control of AC motor drive system and its position sensorless operation.Therefore, it is of great necessity to reasonably compensate the inverter's nonlinearity.In this paper, the inverter's nonlinear effects were firstly analyzed on the effective turn-on time of switch and inverter's output voltage.Then the current research status concerning the inverter nonlinear compensation were summarized and the existing nonlinear compensation technique were classified and compared.Finally, the key technique problem necessary to be solved for compensating inverter's nonlinearity was revealed and the future research directions were predicted in order to realize high performance and robust operation of motor drive system.

inverter nonlinearity; effective turn-on time of switch; output voltage of inverter; nonlinearity compensation; AC motor drive system

2015-08-25

国家自然科学基金项目(51377041)

TM464

A

1004-7018(2016)09-0102-06

魏超(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为电机控制。