CN100411284C

CN100411284C - 用于永磁电机驱动装置的空间矢量脉宽调制装置

Info

Publication number: CN100411284C
Application number: CNB2003801014853A
Authority: CN
Inventors: 埃迪·英贤·何
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies North America Corp
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: CN1879283A

Abstract

本发明涉及一种空间矢量脉宽调制装置和由该装置实现的空间矢量脉宽调制方法。所述空间矢量脉宽调制装置包括预计算模块和扇区探测器。对于三相调制，所述空间矢量脉宽调制装置还包括活动矢量部件、零矢量选择器和脉宽调制计数器单元。所述空间矢量脉宽调制方法包括预计算步骤和扇区探测器步骤。对于三相调制，所述空间矢量脉宽调制方法还包括活动矢量计算步骤、零矢量选择步骤以及脉宽调制计数步骤。本发明可以避免传统的空间矢量脉宽调制方案中的例如反正切和平方根函数的精深计算和查询表，并且本发明支持过调制、对称PWM和非对称PWM模式。

Description

用于永磁电机驱动装置的空间矢量脉宽调制装置

交叉引用

本申请基于2002年10月15日提交的序列号为60/418,733的美国临时申请并要求其优先权。上述美国临时申请被并入本申请以作为参考。

背景技术

1.发明领域

本发明涉及一种电机驱动装置，尤其涉及一种用于采用空间矢量PWM调制方案的永磁表面安装(PMSM)电机的驱动方法和系统。

2.相关技术的描述

采用逆变器(inverter)的三相电机驱动装置在工业中是公知的。DC总线通常将开关功率供应到AC电机的不同相上。为了将开关命令和顺序供应到逆变器，无传感(sensorless)矢量控制正在引起人们广泛的注意。无传感控制消除了速度传感器、磁通传感器和扭矩传感器，并根据测量到的端电压和电流利用基于DSP的估计(estimation)代替它们。因此，它降低了驱动装置的成本并提高了其可靠性。背景技术所关注的基于DSP的电机驱动装置在本发明人于2003年4月25日提交的序列号为60/465,890的美国申请以及2002年11月12日提交的序列号为10/294,201的美国申请中进行了描述，并且它们被引入本文以作为参考。然而，估计算法是复杂的，尤其是在低频率下。

因为空间矢量脉宽调制(SVM)具有优良的谐波质量和扩展的线性操作范围，所以它已经成为用于馈压逆变驱动器的脉宽调制(PWM)的一种流行形式。背景技术所关注的SVM装置在2003年3月27日提交的序列号为10/402,107的申请中进行了描述，其被引入本文以作为参考。

然而，SVM的一个问题在于，它需要复杂的在线计算，从而通常将其操作限制于最多为几千赫兹(例如，约为10kHz)的开关频率。开关频率可通过利用高速DSP和包括查询表(LUT)的简化算法来扩展。功率半导体的开关速度(特别是在IGBT中的开关速度)已经得到了显著地提高。然而，LUT’s的使用(除非是非常大)趋向于降低脉宽分辨率。

发明内容

本发明可以避免传统的空间矢量PWM调制方案中的例如反正切和平方根函数的精深计算和查询表。它提出了一种算法结构以用于实现多用途空间矢量PWM方案，该方案无需精深的数学函数或查询表就能够产生3相和2相SVPWM。该结构支持过调制、对称PWM和非对称PWM模式。

本发明实现了一种多用途的2电平空间矢量PWM(SVPWM)调制装置，其能够在一个通用算法结构中实现3相和2相调制算法。该实现方案主要利用判定逻辑，并且无需任何精深的诸如反正切、正弦、余弦和/或平方根函数的数学函数。该算法提供了过调制、对称的和非对称的模式的能力。

本发明提供了一种空间矢量脉宽调制装置和由所述调制装置实现的方法。

根据本发明的一个方面，一种空间矢量脉宽调制装置(SVPWM)可包括预计算模块，其接收第一和第二调制指数(modulation index)并响应所述指数以输出被修改的第一和第二信息。

根据本发明的另一个方面，一种SVPWM可包括扇区探测器，其具有第一模块和第二模块，所述第一模块接收第一信息或被修改的第一信息并输出第一扇区，所述第二模块接收所述第一扇区和第二信息或被修改的第二信息并输出第二扇区；所述第一扇区和所述第二扇区为用于实现二相调制的二相控制信号。

根据本发明的另一个方面，对于三相调制，所述空间矢量脉宽调制装置可包括：活动矢量(active vector)计算模块和分配矢量模块，其接收第一和第二信息或被修改的第一和第二信息以及所述第一扇区，并计算用于三相调制的活动矢量；零矢量选择器，其接收所述第二扇区并计算用于三相调制的零矢量；以及脉宽调制计数器单元，其接收所述活动矢量和零矢量并输出用于实现三相调制的三相控制信号。

所述脉宽调制计数器单元优选地具有对称脉宽调制模式、非对称脉宽调制模式或两者皆有。

所述空间矢量脉宽调制装置还可包括重缩放(rescale)和过调制模块，其用于接收与所述矢量相对应的持续信息，并响应所述持续信息来检测过调制的发生。优选地响应负的零矢量时间来检测过调制。所述模块可通过将所述零矢量时间箝位到零并将所述活动矢量时段重缩放到脉宽体制周期内从而响应过调制。

所述重缩放可将电压矢量限制停留在空间矢量平面中的六边形边界内，同时保持电压相位。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种至少执行上面概述的步骤的方法。

本发明的其它特征和有益效果在参照相应的附图对下面的实施方式进行详细描述后将会变得显而易见。

附图简要说明

图1是描述3相和2相调制方案的图。

图2是多用途空间矢量PWM调制器的结构方框图；

图3更加详细地示出了图2中的预计算和扇区探测器单元；

图4更加详细地示出了图2中的活动矢量计算单元；

图5更加详细地示出了图2中的重缩放和过调制单元；

图6是描述过调制的图；

图7更加详细地示出了图2中的零矢量选择器单元；

图8示出了状态的顺序。

本发明实施方案的详细描述

下面是PWM方案的实施例的描述。

3相和2相PWM调制方案如图1所示。由这两种PWM策略产生的伏特-秒(Volt-sec)是一致的。然而，当使用2相调制时，其开关耗损能够被显著地减少，尤其是在使用高开关频率(大于10kHz)时。

图2示出了多用途空间矢量PWM调制器的结构方框图。各个单元的设计在下面将进行更加详细的描述。这种SVPWM的特点是：

运行时无需反正切、正弦、余弦或平方根函数；

接收矩形输入Ua和Ub(能够容易地与大部分矢量控制器接口)；

能够根据需要选择零矢量；

通过零矢量时间箝位简化过调制方案；

通过半PWM周期的更新自动产生对称和非对称模式。

图3示出了图2的预计算和扇区探测器单元中的计算的细节。该SVPWM的输入端接收调制指数(modulation index)Ua和Ub(正交的)，其输出是U_Sector(U扇区)和Z_Sector(Z扇区)(其仅用于2相调制)。扇区的区域在图3中定义。扇区探测器完全基于判定逻辑，这为诸如FPGA的数字硬件平台的实现提供了方便。

上述输出是U_Sector和Z_Sector，其定义如下：

U_Sector：

0＜＝theta(θ)＜60

60＜＝theta＜120

120＜＝theta＜180

180＜＝theta＜240

240＜＝theta＜300

300＜＝theta＜360

Z_Sector：

A-30＜＝theta＜30

B 30＜＝theta＜90

C 90＜＝theta＜150

D 150＜＝theta＜210

E 210＜＝theta＜270

F 270＜＝theta＜330

图4显示了图2中的活动矢量计算单元的细节。这些计算主要是分配。不需要精深的计算。

图5显示了重缩放和过调制单元。过调制通过在零矢量时间(T0_Cnt_Scl)计算中的负值被探测到。通过将该零矢量时间箝位到零(如果是负的话)并对活动矢量时段进行重缩放以使其处在PWM周期之内，就可以容易地处理过调制。这种重缩放将电压矢量限制停留在位于空间矢量平面上的六边形界限内(如图6所示)。所需电压的大小被限制为最大可能电压界限(如图6中的六边形)。然而，电压相位总被保持。

图7显示了零矢量选择器单元的细节。在图1中，对于前一半PWM周期(PWM_CNT_MAX)而言，存在有两个用于3相调制的零矢量状态和一个用于2相PWM的零矢量状态。对于3相PWM，上述第一个零矢量状态总是V7，第二个零矢量状态是V8。然而，对于2相PWM，上述一个零矢量状态可以是V7或V8，这取决于电压矢量所处的位置(Z_Sector)。因此，零矢量选择器被用来处理各种零矢量可能性。

图2中的PWM计数器单元实施PWM门控命令(相U，相V，相W)。该单元具有阶跃通过不同状态(VEC1到VEC4，如图1所示)的状态序列发生器(state sequencer)。VEC1和VEC4状态都实施零矢量，VEC2和VEC3则实施活动矢量。对于每个半PWM周期，PWM计数器单元的输入被采样一次，这就允许不作任何重新配置就能够实现非对称的PWM模式操作。

对于3相调制，上述状态序列发生器执行VEC1-VEC2-VEC3-VEC4-VEC4-VEC3-VEC2-VEC1，如图8所示。在VEC1状态，上述第一零矢量将会基于T0_Vec_1和T0_Cnt来实现。有三个PWM计数器，其中两个用于活动矢量，第三个用于上述两个零矢量。对于2相PWM调制方案来说，上述状态序列发生器不会进入状态VEC4(VEC1-VEC2-VEC3-VEC3-VEC2-VEC1)。

每半个PWM周期出现两个活动矢量。“分配矢量”单元(如图2所示)确定上述两个矢量中的哪个将被用于实现状态VEC2和VEC3。在3相PWM被选定时，上述零矢量时间(T0_Cnt)为一半。

定义

Ua-Alpha轴调制

Ub-Beta轴调制

U_Sector-如图3所示的扇区号为1到6(每一扇区为60°)

Z_Sector-如图3所示的扇区号为A到F(每一扇区为60°)

Ta_Cnt_R-用于活动矢量A的标准化持续时间

Tb_Cnt_R-用于活动矢量B的标准化持续时间

Ta_Vec_R-用于形成命令调制矢量的活动矢量A(V1到V6)

Tb_Vec_R-用于形成命令调制矢量的活动矢量B(V1到V6)

T0_Vec_1-在状态VEC1中使用的零矢量(V7或V8)

T0_Vec_2-在状态VEC4中使用的零矢量(V7或V8)

Ta_Cnt_Scl-Ta_Cnt_R的被重缩放后的形式

Tb_Cnt_Scl-Tb_Cnt_R的被重缩放后的形式

T0_Cnt_Scl-零矢量标准化时间的被重缩放后的形式

Ta_Cnt-用于状态VEC2的计数器持续时间

Tb_Cnt-用于状态VEC3的计数器持续时间

T0_Cnt-用于状态VEC1和VEC4的计数器持续时间

Ta_Vec-状态VEC2中使用的矢量

Tb_Vec-状态VEC3中使用的矢量

Two_Phs_Pwm-在2相或3相调制之间选择

Z_Mode-2相调制零矢量选择模式

尽管本发明关于其具体的实施方式进行了描述，许多变种和修改以及其它的使用对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。因此，本发明不限制于本文的特定公开。

Claims

1. 一种空间矢量脉宽调制装置，包括：

预计算模块，其接收第一和第二调制指数并响应所述调制指数以输出被修改的第一和第二信息；

扇区探测器，其具有第一模块和第二模块，所述第一模块接收所述被修改的第一信息并输出第一扇区，所述第二模块接收所述第一扇区和所述被修改的第二信息并输出第二扇区；

所述第一扇区和所述第二扇区为用于实现二相调制的二相控制信号；以及

对于三相调制，所述空间矢量脉宽调制装置还包括：

活动矢量部件，其接收所述被修改的第一和第二信息以及所述第一扇区，并计算用于三相调制的活动矢量；

零矢量选择器，其接收所述第二扇区并计算用于三相调制的零矢量；及

脉宽调制计数器单元，其接收所述活动矢量和零矢量并输出用于实现三相调制的三相控制信号。

2. 如权利要求1所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述活动矢量部件包括活动矢量计算模块和分配矢量模块。

3. 如权利要求1所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述脉宽调制计数器单元具有对称的脉宽调制模式。

4. 如权利要求3所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述脉宽调制计数器单元具有非对称的脉宽调制模式。

5. 如权利要求1所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述脉宽调制计数器单元具有非对称的脉宽调制模式。

6. 如权利要求1所述的空间矢量脉宽调制装置，还包括：重缩放和过调制模块，其用于接收与所述活动矢量相对应的持续信息，并响应所述持续信息探测过调制的发生。

7. 如权利要求6所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，响应负的零矢量时间探测过调制。

8. 如权利要求7所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述重缩放和过调制模块通过将所述负的零矢量时间箝位到零并对所述活动矢量时段进行重缩放以使其处于脉宽调制周期内，从而响应过调制。

9. 如权利要求8所述的空间矢量脉宽调制装置，其中，所述重缩放将电压矢量限制停留在空间矢量平面中的六边形的边界内，同时保持电压相位。

10. 一种实现空间矢量脉宽调制的方法，包括下面步骤：

预计算步骤，在该步骤中接收第一和第二调制指数并响应所述调制指数以输出被修改的第一和第二信息；

扇区探测器步骤，该步骤包括接收所述被修改的第一信息并输出第一扇区的步骤，和接收所述第一扇区和所述被修改的第二信息并输出第二扇区的步骤；

其中，所述第一扇区和所述第二扇区为用于实现2相调制的二相控制信号；以及

对于三相调制，所述实现空间矢量脉宽调制的方法还包括下面步骤：

活动矢量计算步骤，该步骤包括接收所述被修改的第一和第二信息以及所述第一扇区，并计算用于三相调制的活动矢量的步骤；

零矢量选择步骤，该步骤包括接收所述第二扇区并计算用于三相调制的零矢量的步骤；以及

脉宽调制计数步骤，该步骤包括接收所述活动矢量和零矢量并输出用于实现三相调制的三相控制信号的步骤。

11. 如权利要求10所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，所述脉宽调制计数步骤执行对称的脉宽调制模式。

12. 如权利要求11所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，所述脉宽调制计数步骤执行非对称的脉宽调制模式。

13. 如权利要求10所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，所述脉宽调制计数步骤实现非对称的脉宽调制模式。

14. 如权利要求10所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，还包括过调制探测步骤，该步骤接收与所述活动矢量相对应的持续信息并响应所述持续信息以探测过调制的发生。

15. 如权利要求14所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，响应负的零矢量时间探测过调制。

16. 如权利要求15所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，所述方法通过将所述负的零矢量时间箝位到零并对所述活动矢量时段进行重缩放以使其处于脉宽调制周期内的步骤从而响应过调制。

17. 如权利要求16所述的实现空间矢量脉宽调制的方法，其中，所述重缩放的步骤将电压矢量限制停留在空间矢量平面中的六边形的边界内，同时保持电压相位。