PL220199B1

PL220199B1 - Deadband compensation circuit of a voltage converter

Info

Publication number: PL220199B1
Application number: PL391909A
Authority: PL
Inventors: Zbigniew Peczyński
Original assignee: Ct Nauk Prod Elektronik
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2015-09-30
Also published as: PL391909A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia sterowanego z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsów.The subject of the invention is a system for compensation of a dead zone of a voltage converter controlled with the use of pulse width modulation.

Negatywny wpływ strefy martwej na pracę przekształtnikowych układów energoelektronicznych jest powszechnie znany. W szczególności istotne staje się jego zminimalizowanie w układach napędowych wolnoobrotowych. Znane są układy kompensacji i sposoby kompensacji strefy martwej łączników półprzewodnikowych modyfikujące czas trwania impulsów załączających łączniki półprzewodnikowe. W amerykańskim opisie patentowym nr US6690135 kompensacja nieliniowości strefy martwej jest realizowana poprzez modyfikację czasu trwania impulsów i polega na dodawaniu lub odejmowaniu stablicowanych w pamięci sterownika wartości kompensujących których wybór dokonywany jest na podstawie wartości błędu napięciowego wyznaczanego w funkcji wartości momentu zadanego, aktualnego położenia oraz prędkości kątowej wirnika silnika i wartości napięcia zasilania obwodu pośredniczącego. Z kolei w brytyjskim zgłoszeniu patentowym nr GB2440559 na podstawie różnicy wartości napięcia zadanego i zmierzonego napięcia wyjściowego wyznacza się wartość błędu napięciowego wynikającego ze strefy martwej i spadku napięcia na przewodzącym łączniku. Następnie wartość napięcia zadanego jest w modulatorze zamieniana na postać impulsów o skompensowanej już wartości. W zgłoszeniu patentowym nr WO0207299 kompensacja strefy martwej jest oparta na pomiarze dwóch prądów fazowych, transformacji Clarka, przekształceniu prądu z układu kartezjańskiego do postaci biegunowej, detekcji zmiany znaku prądów fazowych, określeniu spadku napięć wynikających ze strefy martwej w każdej fazie napięcia, ponownej transformacji Clarka oraz Parka tym razem sygnałów napięciowych, dodaniu transformowanych wielkości odpowiednio do wartości zadanych składowych poprzecznej i podłużnej wektora napięcia, a następnie na przekształceniu wyników do postaci biegunowej i wprowadzeniu ich do modulatora.The negative influence of the dead zone on the operation of power electronic converter systems is well known. In particular, it becomes important to minimize it in low-speed drive systems. There are known systems of compensation and methods of compensation of the dead zone of semiconductor switches modifying the duration of the pulses switching on semiconductor switches. In the American patent description No. US6690135, compensation of the nonlinearity of the dead zone is carried out by modifying the duration of the pulses and consists in adding or subtracting compensating values stored in the controller's memory, the selection of which is made on the basis of the value of the voltage error determined as a function of the set point value, current position and angular velocity. rotor of the motor and the value of the supply voltage of the DC link. In turn, in the British patent application No. GB2440559, based on the difference of the set voltage value and the measured output voltage, the value of the voltage error resulting from the dead zone and the voltage drop on the conductive switch is determined. Then, the value of the set voltage is converted in the modulator into pulses with the already compensated value. In patent application no. WO0207299, the dead zone compensation is based on the measurement of two phase currents, the Clark transform, the current transformation from Cartesian to the polar form, detection of the change in the sign of the phase currents, determination of the voltage drop resulting from the dead zone in each voltage phase, Clark re-transformation and This time the pair of voltage signals, adding the transformed quantities corresponding to the set values of the transverse and longitudinal components of the voltage vector, and then transforming the results into a polar form and entering them into the modulator.

Niedogodnością istniejących rozwiązań jest to że korzystają prawie wyłącznie z wielkości mierzonych lub estymowanych, takich jak prądy czy napięcia których pomiar obarczony jest zawsze określonymi błędami, na dodatek zmiennymi na przykład w funkcji temperatury pracy. Na powstanie błędów pomiarowych ma również wpływ fakt przekształcania zmierzonych wielkości analogowych w postać cyfrową. W cyfrowych układach sterujących, w szczególności w układach mikroprocesorowych istnieje możliwość zdefiniowania czasu strefy martwej, zwykle mierzonej w pojedynczych mikrosekundach. Znając wartość zdefiniowanego czasu strefy martwej można wiedzę tą wykorzystać w układzie kompensacji.The disadvantage of the existing solutions is that they use almost exclusively measured or estimated values, such as currents or voltages, the measurement of which is always burdened with certain errors, in addition, variables, for example as a function of operating temperature. The formation of measurement errors is also influenced by the fact of converting the measured analog values into digital form. In digital control systems, in particular microprocessor systems, it is possible to define the dead zone time, usually measured in single microseconds. Knowing the value of the defined dead zone time, this knowledge can be used in the compensation system.

Układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia według wynalazku zawiera bloki wzmocnienia sygnału, bloki ilorazu wartości dwóch sygnałów, bloki dopasowania wartości sygnałów, bloki ograniczające do wartości nasyceń i modulator oraz sumator wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia, zorientowanego w układzie odniesienia związanym z rotorem wirnika silnika elektrycznego, i wartości spadku napięcia spowodowanego wpływem strefy martwej i wyróżnia się tym, że sygnał wyjściowy sumatora jest wprowadzany do bloku wzmacniacza o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania łączników i okresu kluczowania łączników pomniejszonemu o czas strefy martwej, następnie jest skalowany w bloku dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, po czym jest wprowadzany do bloku ilorazu wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a następnie jest podawany na blok ograniczający jego wartość do wartości nasycenia i w końcu do bloku modulatora, a sygnał wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia jest wprowadzany do bloku wzmacniacza o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej, następnie jest skalowany w bloku dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, po czym jest wprowadzany do bloku ilorazu wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a następnie jest podawany na blok ograniczający jego wartość do wartości nasycenia i w końcu do bloku modulatora. Informacja o strefie martwej jest wprowadzona do toru regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego w postaci sygnału napięciowego do bloku sumatora oraz do toru regulacji składowej poprzecznej i toru regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zadanego w postaci wzmocnienia sygnału napięciowego proporcjonalnego do ilorazu okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych pomniejszonemu o czas strefy martwej. Tor regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia oraz tor regulacji składowej podłużnej wektora napięcia składa się z takich samych struktur blokowychThe voltage converter dead zone compensation system according to the invention comprises signal amplification blocks, two signal quotient blocks, signal value matching blocks, saturation limiting blocks and a modulator, and a transverse voltage vector component setpoint adder oriented in a reference frame associated with the rotor of the electric motor rotor. , and the value of the voltage drop caused by the influence of the dead zone, and is distinguished by the fact that the output of the adder is fed to the amplifier block with a gain value equal to the quotient of the switch switching period and switch switching period minus the dead zone time, then it is scaled in the set voltage signal matching block to the reference voltage value, and then it is entered into the block of the quotient of the set value of the transverse component of the voltage vector and the voltage value measured in the intermediate circuit, and then it is fed to the limiting block of its value to the saturation value and finally to the modulator block, and the voltage vector longitudinal setpoint signal is fed to the amplifier block with a gain value equal to the quotient of the keying period and the keying period minus the dead zone time, then it is scaled in the voltage set-point voltage adjustment block to the value the reference voltage, and then it is entered into the block of the quotient of the longitudinal component of the voltage vector and the value of the voltage measured in the intermediate circuit, and then it is fed to the block limiting its value to the value of saturation and finally to the modulator block. Information about the dead zone is introduced to the control path of the transverse component of the voltage vector in the form of a voltage signal to the adder block and to the control path of the transverse component and the control path of the longitudinal component of the voltage vector in the form of a voltage signal amplification proportional to the quotient of the switching period of semiconductor switches and the switching period semiconductor switches minus the dead zone time. The control path of the transverse component of the voltage vector and the control path of the longitudinal component of the voltage vector consist of the same block structures

PL 220 199 B1 a dodatkowo tor regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zawiera blok sumatora. Ograniczenie bezwzględnej wartości składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego wprowadzonej na modulator i ograniczenie bezwzględnej wartości składowej podłużnej wektora napięcia zadanego wprowadzonej na modulator jest równe wyrażonej w jednostkach bezwzględnych wartości znamionowej napięcia obwodu pośredniczącego.In addition, the longitudinal component of the voltage vector regulating path comprises an adder block. The limitation of the absolute value of the transverse component of the command voltage vector introduced into the modulator and the limitation of the absolute value of the longitudinal component of the command voltage vector introduced into the modulator are equal to the rated value of the intermediate circuit voltage, expressed in absolute units.

Korzystną cechą układu kompensacji według wynalazku jest możliwość pracy przekształtnikowego układu energoelektronicznego a zwłaszcza napędowego przy napięciach zasilających w obwodzie pośredniczącym o wartościach różnych od wartości znamionowej a w szczególności nawet niewiele większych od zera woltów. Ponadto w trakcie pracy układu można dopuścić do tego aby wartość napięcia w obwodzie pośredniczącym ulegała znacznym zmianom i nie spowoduje to niestabilności pracy układu regulacji pętli prądowych.An advantageous feature of the compensation system according to the invention is the possibility of operating the power electronics converter system, especially the drive system, with supply voltages in the intermediate circuit with values different from the rated value, in particular even slightly greater than zero volts. In addition, during the operation of the system, it can be allowed for the voltage value in the intermediate circuit to change significantly and it will not cause instability of the operation of the current loop control system.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, który stanowi jego schemat blokowy.The invention is explained in more detail in an embodiment in the drawing which is a block diagram thereof.

Układ kompensacji zawarty jest w systemie sterowania składającym się z dwóch odprzężonych torów regulacji napięcia zadanego zorientowanego w układzie odniesienia związanym z wirującym rotorem silnika elektrycznego. W torze 1a regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego do pierwszego wejścia sumatora 2 jest wprowadzony sygnał wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia. Do drugiego wejścia sumatora 2 jest wprowadzony sygnał spadku napięcia odpowiadającemu czasowi trwania strefy martwej. Wyjście sumatora 2 jest połączone z wejściem wzmacniacza 3a. Wartość wzmocnienia wzmacniacza 3a jest równa ilorazowi okresu kluczowania łącznika półprzewodnikowego i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. Wyjście wzmacniacza 3a jest połączone z wejściem bloku 4a. Wyjście bloku 4a jest połączone z pierwszym wejściem układu ilorazu 5a. Na drugie wejście układu ilorazu 5a jest wprowadzony sygnał napięciowy Udc_pom proporcjonalny do rejestrowanego przez układ 8 pomiaru napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Wyjście układu ilorazu 5a jest połączone z wejściem układu 6a. Wyjście układu 6a jest połączone do pierwszego wejścia bloku modulatora 7. W torze 1b regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zadanego na wejście wzmacniacza 3b jest wprowadzony sygnał wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia. Wyjście wzmacniacza 3b jest połączone z wejściem bloku 4b. Wyjście bloku 4b jest połączone z pierwszym wejściem układu ilorazu 5b. Na drugie wejście układu ilorazu 5b jest wprowadzony sygnał napięciowy Udc_pom proporcjonalny do rejestrowanego przez układ 8 pomiaru napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Wyjście układu ilorazu 5b jest połączone z wejściem układu 6b. Wyjście układu 6b jest połączone z drugim wejściem bloku modulatora 7, którego impulsy wyjściowe T1...Tn sterują pracą łączników półprzewodnikowego przekształtnika energoelektronicznego 9 pracującego falownikowo, wprowadzając łączniki w stan przewodzenia albo blokowania prądu elektrycznego.The compensation system is included in the control system consisting of two decoupled voltage control paths oriented in the reference system related to the rotating rotor of the electric motor. In the cross-sectional voltage control line 1a of the voltage vector component, a signal of the cross-section voltage vector component setpoint is fed to the first input of the adder 2. The signal of voltage drop corresponding to the duration of the dead zone is introduced to the second input of the adder 2. The output of the adder 2 is connected to the input of the amplifier 3a. The gain value of the amplifier 3a is equal to the quotient of the switching period of the semiconductor switch and the switching period minus the dead zone time. The output of the amplifier 3a is connected to the input of block 4a. The output of block 4a is connected to the first input of the quotient circuit 5a. The voltage signal Udc_pom is fed to the second input of the quotient circuit 5a, proportional to the intermediate circuit voltage Vdc recorded by the circuit 8. The output of the quotient circuit 5a is connected to the input of the circuit 6a. The output of the circuit 6a is connected to the first input of the modulator block 7. In the voltage vector longitudinal component control line 1b, the voltage vector longitudinal component setpoint signal is fed to the input of the amplifier 3b. The output of the amplifier 3b is connected to the input of block 4b. The output of block 4b is connected to the first input of the quotient circuit 5b. The voltage signal Udc_pom is fed to the second input of the quotient circuit 5b, proportional to the intermediate circuit voltage Vdc recorded by the circuit 8. The output of the quotient circuit 5b is connected to the input of the circuit 6b. The output of the circuit 6b is connected to the second input of the modulator block 7, whose output pulses T1 ... Tn control the operation of the switches of the inverter-operated semiconductor power electronic converter 9, making the switches conductive or block the electric current.

Układ kompensacji działa w sposób następujący:The compensation system works as follows:

Wartość zadana Usq_ref odpowiadająca składowej poprzecznej wektora napięcia wyjściowego jest sumowana w bloku 2a z wartością spadku napięcia Udead wynikającego ze strefy martwej. W bloku 3a sygnał ten jest wzmacniany, a współczynnik wzmocnienia jest równy ilorazowi okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. W bloku 4a sygnał jest skalowany do wartości napięcia odniesienia. Następnie w bloku 5a wartość przeskalowanego sygnału jest dzielona przez zmierzoną wartość napięcia Udc_pom obwodu pośredniczącego generując na wyjściu sygnał o wartości bezwzględnej Usq_norm. W bloku 6a sygnał jest ograniczany do wartości Uogr wyrażonej w jednostkach bezwzględnych i odpowiadającej nominalnej wartości napięciaThe setpoint Usq_ref corresponding to the transverse component of the output voltage vector is summed in block 2a with the value of the voltage drop Udead resulting from the dead zone. In block 3a, this signal is amplified and the gain factor is equal to the quotient of the switching period of the semiconductor switches and the switching period minus the dead zone time. In block 4a, the signal is scaled to a reference voltage value. Then, in block 5a, the value of the scaled signal is divided by the measured value of the voltage Vdc_pom of the intermediate circuit, outputting an absolute value signal Usq_norm. In block 6a, the signal is limited to a Ugr value expressed in absolute units and corresponding to a nominal voltage value

U_dc obwodu pośredniczącego. Z kolei sygnał zadany U_sd_ref odpowiadający składowej podłużnej wektora napięcia wyjściowego jest wzmacniany w bloku 3b. Współczynnik wzmocnienia jest równy ilorazowi okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. W bloku 4b sygnał jest skalowany do wartości napięcia odniesienia. Następnie w bloku 5b wartość przeskalowanego sygnału jest dzielona przez zmierzoną wartość napięcia Udc_pom obwodu pośredniczącego generując na wyjściu sygnał o wartości bezwzględnej Usd_norm. W bloku 6b sygnał jest ograniczany do wartości Uogr wyrażonej w jednostkach bezwzględnych i odpowiadającej nominalnej wartości napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Na podstawie sygnałów Usq norm oraz _{DC link} . In turn, the _{command signal U sd} _ref corresponding to the longitudinal component of the output voltage vector is amplified in block 3b. The gain factor is equal to the quotient of the switching period of semiconductor switches and the switching period, minus the dead zone time. In block 4b, the signal is scaled to a reference voltage value. Then, in block 5b, the value of the scaled signal is divided by the measured value of the voltage Vdc_pom of the intermediate circuit to output an absolute value signal Usd_norm. In block 6b, the signal is limited to a value Ugr in absolute units and corresponding to a nominal intermediate circuit voltage Vdc. Based on the signals Usq norm and

Usd_norm ograniczonych w blokach 6a i 6b do wartości nasycenia Uogr modulator 7 generuje impulsy T1...Tn sterujące pracą półprzewodnikowych łączników mocy formujących napięcie wyjściowe którym zasilany jest odbiornik 10.Usd_norm, limited in blocks 6a and 6b to the saturation value Uogr modulator 7 generates pulses T1 ... Tn which control the operation of semiconductor power switches that form the output voltage to which the receiver 10 is supplied.

Claims

1. The compensation system of the voltage converter dead zone modifying the duration of the pulses switching on semiconductor switches, including signal amplification blocks, blocks of the quotient of the value of two signals, blocks of signal value adjustment, blocks limiting the signal values to the saturation value, modulator and adder of the set value of the transverse component of the voltage vector, and the value of the voltage drop caused by the influence of the dead zone, characterized in that the output signal of the adder (2) is fed to the input of the amplifier block (3a) with a gain value equal to the quotient of the keying period and the keying period minus the dead zone time, and the output signal of the amplifier (3a) it is introduced to the input of the block (4a) for adjusting the set voltage signal to the value of the reference voltage, the output of which is connected to the first input of the block (5a) of the quotient of the set value of the transverse voltage vector component and the value of the voltage measured in the intermediate circuit cym, and the output of block (5a) is connected to the input of block (6a) limiting the value of the signal to the saturation value, the output of which is connected to the first input of the modulator (7), while the voltage vector longitudinal component setpoint signal is input to the amplifier block (3b ) with a gain value equal to the quotient of the switching period and the switching period minus the dead zone time, and the output signal of the amplifier (3b) is fed to the input of the set voltage signal matching block (4b) to the reference voltage value, the output of which is connected to the first block input ( 5b) the quotient of the set value of the longitudinal component of the voltage vector and the value of the voltage measured in the intermediate circuit, and the output of the block (5b) is connected to the input of the block (6b) limiting the signal value to the saturation value, the output of which is connected to the second input of the modulator (7), while to the second input of the block (4a) and to the second input of the block (4b) j is the input voltage signal measured in the converter intermediate circuit.

2. The system according to claim The method of claim 1, characterized in that the information about the dead zone is introduced to the path (1a) in the form of a voltage signal in block (2) and in the form of an amplification of the voltage signal in the path (1a) and (1b) proportional to the quotient of the switching period of semiconductor switches and the switching period semiconductor switches minus the dead zone time.

3. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that the voltage vector cross-component control path (1a) and the voltage vector longitudinal component control path (1b) comprises the same block structures in the form of blocks (3a) and (3b), (4a) and (4b), ( 5a) and (5b) and (6a) and (6b), and additionally, the voltage vector cross component control path (1a) comprises the adder block (2).

4. The system according to p. The method of claim 1, characterized in that the limitation Uogr of the absolute value of the cross-section of the voltage vector in block (6a) and the limitation of the absolute value of the longitudinal component of the voltage vector in block (6b) are equal to the nominal value of the intermediate circuit voltage Vdc, expressed in absolute units.