CN100388621C - 用可变延迟随机pwm转换时随速度变化的最大延迟箝位的控制系统和控制方法 - Google Patents

用可变延迟随机pwm转换时随速度变化的最大延迟箝位的控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

用于电机的控制系统及其使用方法，所述控制系统具有：随机数产生模块，它产生范围从第一数值到第二数值的随机数；乘法模块，它将随机数和抽样速率相乘，产生随机延迟值；以及延迟限制器模块，它随电机速度而变地限制所述随机延迟值并产生受限的延迟值。

Description

用可变延迟随机PWM转换时随速度变化的最大延迟箝位的控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及功率变换器，更具体地说，涉及可变延迟随机脉冲宽度调制控制系统，它具有随电动机速度而变的最大延迟极限。
背景技术
随机脉冲宽度调制(RPWM)被认为是降低来自脉冲宽度调制(PWM)逆变器的电磁和声音噪声发射的理想的技术。RPWM通常以转换频率的随机变化为特点。频率的随机变化减轻了PWM电子功率变换器中不希望有的特性。具体地说，AC基波分量保持不变。但是，以”瓦”量度的频谱功率被转换成以”每赫兹瓦”量度的连续功率密度，而不是被集中到离散的谐波中。RPWM功率变换器的输出电压和电流的功率谱努力超过白色噪声频谱。结果，显著地减轻了乱真现象。
此外，传统的可变延迟随机脉冲宽度调制(VD-RPWM)也可用于各种应用以进一步减轻不希望有的特性。事实上，可变延迟随机PWM技术提供了许多优于其它RPWM技术的重要优点。
已知的先有技术系统已表明了真实随机转换频率调制技术的优异电磁兼容(EMC)性能，其中抽样周期和PWM周期是同步的。但这些随机转换频率(RSF)系统有明显的缺点，即，最大的代码大小受最小抽样周期的限制。而且，随机抽样速率根据执行应用代码所需的时间制约了最小抽样周期。对于复杂的电动机控制算法，代码长度可能不允许有足够高的转换频率来实现良好的频谱扩展。
另一方面，固定抽样速率技术允许最佳利用处理器的计算能力。例如，随机零矢量、随机中心位移和随机超前-滞后技术都维持同步的抽样和PWM周期，但也受某种形式的限制。例如，随机零矢量和随机中心位移在高调制指数时就失去了有效性。随机超前-滞后技术不能提供合适的性能以减少声/电磁干扰(EMI)发射，而且电流波纹增加。此外，随机超前-滞后和随机中心位移会因开关波纹的每周期平均值而在电流的基波分量中引入误差。
VD-RPWM技术允许有固定的抽样速率，以便最佳利用处理器的计算能力，同时提供准随机PWM输出供良好的频谱扩展。但传统VD-RPWM在高基频工作时会有缺点。例如，使用最大速度为14千转/分(krpm)的4极感应式电机，最高的基频为467Hz。在这种情况下，使用12kHz抽样速率，传统的VD-RPWM技术可以提供令人满意的控制。另一方面，当用在有8个或更多电极的感应式电机上时，最高的基频可超过800Hz。在这些情况下，VD-RPWM引入的延迟会导致不希望有的不稳定性。
发明内容
按照本发明的原理，提供了用于电机的控制系统，它具有占优势的组成和使用方法。所述控制系统包括随机数产生模块，它产生范围在第一数值到第二数值的随机数。乘法模块将随机数和抽样速率相乘，产生随机延迟值。延迟限制器模块限定所述随机延迟值为电机速度的函数，并产生受限延迟值。
根据下文中提供的详细说明可以明白本发明适用性的其它领域。应理解，说明本发明的优选实施例的所述详细说明和具体实例仅仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
附图说明
根据所述详细说明和附图可以更充分地理解本发明，附图中：
图1是说明按照本发明一些实施例的随速度变化的最大延迟箝位的的实现方案的方框图；
图2是说明所述最大延迟的随速度变化的程序的曲线图；
图3是按照先有技术的相电流波形，其fsamp等于11.1kHz，fe等于800Hz，以及Iq等于60A；以及
图4是按照本发明一些实施例的相电流波形，其fsamp等于11.1kHz，fe等于800Hz，Iq等于60A，以及Idelay等于0.5。
具体实施方式
以下对优选实施例的说明仅仅是示范性的，绝不是用来限制本发明、其应用或使用。在本文中，术语”模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享，专用或群)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其它适合的部件。
如上所述，传统的可变延迟随机脉冲宽度调制(VD-RPWM)提供了许多优于其它RPWM技术的重要优点。按照传统的VD-RPWM，抽样速率(输入)Ts保持恒定，而PWM输出周期Tsw随机地从Tsw-min变化到2*Ts，其中Tsw-min是允许的最小PWM转换周期，Ts是抽样速率。PWM输出周期的这个很宽范围在许多情况下提供了优异的频谱扩展用以改进调制。
但在具有高基频和有限抽样速率的应用中(例如，基频超过大约500Hz，抽样速率为12kHz)，传统的VD-RPWM技术会出现明显的控制问题。换句话说，在这些情况下，传统的VD-RPWM引入的附加延迟更为严重，并会导致不稳定。这种不稳定性在图3中可见，图3说明按照先有技术的相电流波形，其fsamp等于11.1kHz，fe等于800Hz，以及Iq等于60A。由图可见，所得的波形呈现不稳定性，如各周期之间变化的振幅所表现出来的。这种情况在稳流系统中是不希望有的。
不希望改变抽样速率(输入)Ts，因为维持恒定的抽样速率有许多优点。例如，在数字控制器中使用的许多系数都与抽样周期有关。维持固定的抽样速率，就不需要在每次改变PWM周期时重新计算系数。此外，通过维持固定的抽样速率来将执行软件所需的时间保持固定。这使得可以对微处理器的能力和容量的使用进行预测和优化。在具有可变抽样速率的其它技术中，最大代码长度受最小抽样周期的限制。在许多应用中这会是一个严重的缺点。
所以，按照本发明一些实施例，使用一种控制系统或算法来”箝位”或限制系统的最大延迟，以减轻这种控制不稳定性。更具体地说，随电动机速度而变地引入所述箝位功能。所述算法将随机延迟引入到下一PWM输出周期的后沿。所以，由于两个连续边缘确定了PWM的输出周期，所以形成了准随机PWM输出。
参阅图1，图中示出说明按照本发明一些实施例的可变延迟和积分的计算的方框图。继续参阅图1，在随机数发生器10中首先产生在第一数值和第二数值之间的随机浮点数。然后，在一些实施例中在乘法器12中将随机数与抽样周期Ts相乘，得到初始随机延迟值112。然后将此初始随机延迟值112引入延迟限制器14。延迟限制器14把初始随机延迟值112限制为电动机速度nr的函数(见标号100)。
由图2可见，其中的曲线说明最大延迟的随速度变化的程序，通常称为限制曲线16。更具体地说，可以看出电机速度在0和n1之间时，最大允许延迟等于Ts，即，抽样周期(见标号102)。但电机速度在n1和nmax之间时，可见最大允许延迟从Ts降到Ts*Kdelay-min，其中Kdelay-min是由用户设定的可配置常数，而n1也由用户作类似确定。但是，应当指出，n1可以代表系统中已确认有不稳定性的电动机速度。所以，由图2可见，延迟限制器14可以用来将初始随机延迟值限制在限制曲线16的上方或下方的区域中。按照本发明，在低电动机速度时PWM周期可以有最大的可变性，而在高速度时保持着相电流的可控制性，从而得到改进的稳定性。但是，应当指出，限制曲线16可以具有若干种规定的形状中的任何一种。作为非限制性实例，限制曲线16可以是指数形、抛物线形等等。
再参阅图1，然后把延迟限制器14的输出的或受限的延迟值114在加法器18中与Ts相加并作为中间计算值118输出。在减法器20，从前一周期Tdelay*Z-1 125减去所述中间计算值，确定计算的转换周期Tsw-before-check120。然后在比较器22中将Tsw-before-check120与Tsw-min121进行比较。如果Tsw-befcre-check120大于Tsw-min121，则Tsw-before-check120不变，作为Tsw122输出。如果Tsw-before-check120小于Tsw-min121，则将Tsw-before-check120变为等于Tsw-min121并作为Tsw122输出。比较器22用来防止要求非常短的输出PWM周期。最后，在减法器24中从Tsw122中减去Ts102。在加法器26，将前一周期Tdelay*Z-1 125的延迟加到减法器24的结果上，以确定当前周期Tdelay*Z0 126的延迟。所以，换句话说，转换周期Tsw可以表示如下：
Tsw＝Ts+Tdelay*Z0-Tdelay*Z-1
式中z0是当前周期而z-1是前一周期。利用这种技术，所得的转换周期Tsw122可以在Tsw-min121到Ts*(1+Kdelay)之间改变。平均转换周期等于随时间变化的抽样周期Ts。
为了演示本发明一些实施例的有效性，利用具有浮点处理器和感性负载的600V/600A的功率逆变器进行实验室测试。在模块中实现按照本发明的VD-RPWM。作为与以上所述的进行的比较，图3示出在抽样速率为11.1kHz并且控制800Hz基频的情况下，在没有箝位时所得到的相电流。可见电流是振荡摆动的。图4示出在同样条件下采用了本发明时的电流。如在图中可以看到的，电流现已很规则，振荡摆动已消失。
本发明提供了许多优于先有技术的优点。作为非限制性实例，本发明提供了一种维持高速电动机的控制稳定性的方法。此外，由于在高速时很方便进行RPWM操作，EMI发射减少，因此对滤波的要求较少。较少的滤波要求必然导致整体尺寸减小、成本降低以及重量减轻。还有，本发明导致减小的音频噪声。这一点在使用较低转换频率时特别重要，因为在较低速度工作时在逆变器中可以有较低的转换损耗。
本专业的技术人员从上述说明中可以理解本发明的广泛内容可以用各种形式实现。所以，虽然已结合具体实例对本发明作了说明，但本发明的真正范围并不限于此，因为对于有经验的专业人员来说，在研究了附图、说明书以及以下权利要求书之后，其它的修改就会显而易见了。

Claims (19)

1.一种用于电机的控制系统，它包括：
随机数产生模块，它产生范围从第一数值到第二数值的随机数；
乘法模块，它将所述随机数和抽样速率相乘，产生随机延迟值；以及
延迟限制器模块，它把所述随机延迟值限制为所述电机的速度的函数并产生受限的延迟值。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中还包括：
转换模块，它从所述延迟限制器模块接收所述受限的延迟值，加上所述抽样速率，减去前一周期的延迟时间，并输出计算的转换周期。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中还包括：
最大值检验模块，它比较所述计算的转换周期和预定的最小转换周期，并输出最终的转换周期，如果所述计算的转换周期大于所述最小转换周期，则最终转换周期等于所述计算的转换周期，而如果所述计算的转换周期小于所述最小转换周期，则最终转换周期等于所述最小转换周期。
4.如权利要求3所述的控制系统，其中还包括：
延迟计算模块，它从所述最大值检验模块接收所述最终转换周期，减去所述抽样速率，加上所述前一周期的所述延迟时间，并输出当前周期的延迟时间。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中对于大于预定值的速度，所述延迟限制器模块还随所述速度而变地限制所述随机延迟值。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中对于大于预定值的速度，所述延迟限制器模块以与所述电机的所述速度成反比的方式限制所述随机延迟值。
7.如权利要求1所述的控制系统，其中所述第一数值为0，而所述第二数值为1。
8.如权利要求1所述的控制系统，其中，对于大于预定值的电机速度，所述延迟限制器模块还把所述随机延迟值限制为所述电机速度的函数，所述预定值大于所述电机的最小速度并小于所述电机的最大速度。
9.如权利要求8所述的控制系统，其中还包括：
转换模块，它从所述延迟限制器模块接收所述受限的延迟值，加上所述抽样速率，减去前一周期的延迟时间，并输出计算的转换周期。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中还包括：
最大值检验模块，它比较所述计算的转换周期和预定的最小转换周期，并输出最终的转换周期，如果所述计算的转换周期大于所述最小转换周期，则最终转换周期等于所述计算的转换周期，而如果所述计算的转换周期小于所述最小转换周期，则最终转换周期等于所述最小转换周期。
11.如权利要求10所述的控制系统，其中还包括：
延迟计算模块，它从所述最大值检验模块接收所述最终转换周期，减去所述抽样速率，加上所述前一周期的所述延迟时间，并输出当前周期的延迟时间。
12.如权利要求8所述的控制系统，其中对于大于预定值的速度，所述延迟限制器模块以与所述电机的所述速度成反比的方式限制所述随机延迟值。
13.如权利要求8所述的控制系统，其中所述第一数值为0，而所述第二数值为1。
14.一种用于电机的控制方法，包括：
产生范围从第一数值到第二数值的随机数；
将所述随机数和抽样速率相乘，产生随机延迟值；
把所述随机延迟值限制为所述电机的速度的函数；以及
产生受限的延迟值。
15.如权利要求14所述的控制方法，其中还包括：
接收所述受限的延迟值；
将所述抽样速率加到所述受限的延迟值上；以及
从所述限制延迟值中减去前一周期的延迟时间，输出计算的转换周期。
16.如权利要求15所述的控制方法，其中还包括：
比较所述计算的转换周期和预定的最小转换周期；以及
输出最终的转换周期，如果所述计算的转换周期大于所述最小转换周期，则所述最终转换周期等于所述计算的转换周期，而如果所述计算的转换周期小于所述最小转换周期，则所述最终转换周期等于所述最小转换周期。
17.如权利要求16所述的控制方法，其中还包括：
接收所述最终的转换周期；
减去所述抽样速率；以及
加上所述前一周期的所述延迟时间，输出当前周期的延迟时间。
18.如权利要求14所述的控制方法，其中把所述随机延迟值限制为所述电机速度的函数并产生受限的延迟值的步骤包括：对于大于预定值的电机速度，把所述随机延迟值限制为所述电机速度的函数。
19.如权利要求18所述的控制方法，其中对于大于所述预定值的所述电机速度，与所述电机的所述速度成反比地限制所述随机延迟值。
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