CN100527589C - 考虑逆变器非线性的电压源逆变器的最小损失pwm - Google Patents

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Abstract

动态脉宽调制(PWM)选择装置自动地在非连续PWM(DPWM)控制方法之间切换。该PWM选择装置包括PWM控制模块。PWM控制模块根据期望的输出信号确定切换控制信号的期望脉宽。PWM控制模块根据该期望脉宽和第一PWM控制方法控制切换控制信号的实际脉宽。选择模块判断该期望脉宽是否超过脉宽阈值。当该期望脉宽超过该脉宽阈值时选择模块选择第二PWM控制方法。

Description

考虑逆变器非线性的电压源逆变器的最小损失PWM
技术领域
本发明涉及脉宽调制，更具体而言涉及在脉宽调制方法之间进行选择以最小化逆变器损失。
背景技术
电压源逆变器(VSI)被用于产生具有可控的幅值和频率的AC输出电压。VSI将DC电压转换为AC电压以驱动三相AC电机。脉宽调制(PWM)方法被用于控制VSI的操作。PWM控制模块提供控制VSI中一个或多个开关的占空比的高频电压脉冲。
现在参照图1，示出了驱动AC电机12的示例三相VSI10。VSI10包括一个或多个DC电压源14和16，以及开关18-1、18-2、20-1、20-2、22-1和22-2，这些开关总的称为开关24。开关24是本领域已知的任何合适的半导体开关，例如包括反并联二极管的晶体管。通常，每个开关对以互补方式被操作。例如，当开关18-1接通(ON)时，开关18-2断开(OFF)。相反，当开关18-2断开时，开关18-1接通。其他开关对以类似方式操作。AC电机12为三相AC电机。换言之，AC电机12根据流过感应线圈???26、28和30的电流而操作。电流根据电压源14和16以及开关24的ON和/或OFF状态流过感应线圈26、28和30。
PWM控制模块32产生控制开关24的开关行为的一个或多个切换控制信号34。PWM控制模块32执行操作开关24以获得AC电机12的期望性能特性的已知PWM控制方法。例如，PWM控制方法可以是连续的或者非连续的。连续的PWM控制方法(例如正弦或者空间矢量调制)使得相脚中的每个开关在载波信号的每个周期循环(即接通和断开)一次。非连续PWM(DPWM)控制方法使得相脚中的一个开关对电压基本信号周期的一部分连续保持ON或OFF。调制信号(例如切换控制信号)确定开关ON或OFF的时间段。典型地，DPWM控制方法导致比连续PWM控制方法更低的逆变器损失。
三种传统的DPWM方法是分别如图2A、2B和2C所示的DPWMO、DPWM1和DPWM2。现在参照图2A，DPWMO波形图示40包括在AC电机控制的相a期间的电压基本信号42、调制信号44和电流信号46。调制信号44的幅值代表开关24中的一个或多个的指令占空比。换言之，调制信号44控制开关24的占空比。典型地，DPWMO控制方法对滞后功率因子负荷损耗优化。例如，DPWMO控制方法对于运行在再生模式中的AC电机可能是优选的。
现在参照图2B，DPWM1波形图示50包括在AC电机控制的相a期间的电压基本信号52、调制信号54和电流信号56。DPWM1控制方法对单位功率因子负荷损耗优化。例如，DPWM1控制方法对于运行在低速或者低负荷下的AC电机可能是优选的。
现在参照图2C，DPWM2波形图示60包括在AC电机控制的相a期间的电压基本信号62、调制信号64和电流信号66。DPWM2控制方法对滞后功率因子负荷损耗优化。例如，DPWM2控制方法对于运行在电动模式中的AC电机可能是优选的。
发明内容
脉宽调制(PWM)选择装置包括PWM控制模块。PWM控制模块根据期望的输出信号确定切换控制信号的期望脉宽。PWM控制模块根据该期望脉宽和第一PWM控制方法控制切换控制信号的实际脉宽。选择模块判断该期望脉宽是否超过脉宽阈值。当该期望脉宽超过该脉宽阈值时选择模块选择第二PWM控制方法。
从以下提供的详细说明，本发明的进一步应用领域将变得明显。应当理解到，虽然详细说明和具体示例表示本发明的优选实施例，但它们仅出于举例说明目的并且无意限制本发明的范围。
附图说明
从以下详细说明和附图，本发明将得到更全面理解，附图中：
图1是根据现有技术的三相电压源逆变器的电路示意图；
图2A图示根据现有技术的DPWMO控制方法的操作波形；
图2B图示根据现有技术的DPWM1控制方法的操作波形；
图2C图示根据现有技术的DPWM2控制方法的操作波形；
图3A图示根据现有技术的DPWM2控制方法的失真区域；
图3B图示根据现有技术的DPWMO控制方法的失真区域；
图4是包括根据本发明的动态脉宽调制(PWM)控制模块的电压源逆变器的功能框图；
图5是包括根据本发明第二实施例的动态脉宽调制(PWM)控制模块的电压源逆变器的功能框图；
图6是图示根据本发明的DPWM控制方法的步骤的流程图；
图7A图示根据本发明的空间向量形式的DPWMO控制方法的失真区域；
图7B图示根据本发明的空间向量形式的DPWM1控制方法的失真区域；
图7C图示根据本发明的空间向量形式的DPWM2控制方法的失真区域；和
图8图示根据现有技术的互补开关对的开关位置。
具体实施方式
(多个)优选实施例的以下说明实质上仅仅是示例性的而绝非意图限制本发明、其应用或者使用。为清楚起见，相同标号将在附图中用于标示相似元件。在此处使用时，术语模块和/或装置是指专用集成电路(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、专用或成组)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他适当部件。
如上所述，DPWM控制方法DPWMO、DPWM1和DPWM2中的每个都对特定控制操作进行优化。但是，电压源逆变器(VSI)和AC电机之间的非线性关系证明了DPWM控制方法的实际控制限制。例如，选择的DPWM控制方法可能在特定幅值和时间位置不能精确控制VSI的输出电压。这些限制导致VSI的输出电压以及负载电流的失真。
特别地，DPWM控制方法根据如图1、2A、2B和2C中描述的调制信号控制输出电压。调制信号控制一个或多个半导体开关的占空比。换言之，受控的占空比直接与输出电压相关。高于和/或低于占空比阈值的控制不精确。占空比对应于确定半导体开关的ON和OFF时间的受控脉宽。较大的占空比对应于较大的脉宽和较大的ON和/或OFF时间，并且较小的占空比对应于较小的脉宽和较小的ON和/或OFF时间。因为开关对以互补方式操作，所以第一开关的占空比影响第二开关的占空比。这样，当第一开关的占空比大时，第二开关的占空比小。
低于脉宽阈值(例如，对应于5％占空比的脉宽)的脉宽难以实现。例如，诸如半导体开关的电路部件的限制可能阻止低于脉宽阈值的精确脉宽控制。当期望的脉宽足够大或者足够小以至受控脉宽低于脉宽阈值时发生失真。
典型地，发生控制限制的电角度对每种控制方法不同。图3A和3B图示了DPWMO、DPWM1和DPWM2控制方法的示例性失真区域。现在参照图3A，DPWM2控制方法和DPWM1控制方法的失真区域发生在不同的电角度。最大脉宽限制70和最小脉宽限制72分别表示最大和最小脉宽阈值。当期望的占空比要求大于最大脉宽限制70的第一开关脉宽时，可以理解到第二(互补的)开关的脉宽小于最小脉宽限制72。换言之，高于最大脉宽限制70的期望脉宽内在地导致互补开关中低于最小脉宽限制72的期望脉宽。
DPWM2调制信号64在电角度范围74中命令超过最大脉宽限制70的脉宽。结果，在DPWM2控制期间在电角度范围74中发生失真区域76。DPWM1调制信号54在电角度范围74中命令不超过最大脉宽限制70的脉宽。换言之，在电角度范围74中DPWM1调制信号54在区域78中。类似地，DPWM2调制信号64在电角度范围80中命令超过最小脉宽限制72的脉宽。在DPWM2控制期间在电角度范围80中发生失真区域82。DPWM1调制信号54在电角度范围80中命令不超过最小脉宽限制72的脉宽。换言之，在电角度范围80中DPWM1调制信号54在区域84中。
现在参照图3B，DPWMO控制方法和DPWM1控制方法的失真区域发生在不同的电角度。DPWMO调制信号44在电角度范围90中命令超过最大脉宽限制70的脉宽，导致失真区域92。DPWMO调制信号44在电角度范围94中命令超过最小脉宽限制72的脉宽，导致失真区域96。DPWM1调制信号54在电角度范围90和94中分别根据区域98和100命令脉宽。
如图3A和3B所示，可以理解到每种DPWM控制方法表明了在不同电角度处的控制限制。本发明实现一种在DPWM控制方法之间动态切换以最小化逆变器损失的控制方法。本发明选择性地避免在特定电角度范围中导致命令输出电压失真的DPWM控制方法。
DPWM控制限制的另一种情形是逆变器死区时间。PWM控制模块在互补开关对的转换之间插入时间段(即逆变器死区时间)以避免直通情形。当开关对中的两个开关同时处于ON时发生直通情形。在逆变器死区时间期间，流过逆变器反并联二极管的电流的极性确定VSI输出电压。逆变器死区时间表现为虚拟阻抗，并且有效增大最小脉宽。换言之，在逆变器死区时间期间，最小脉宽限制72增大，导致更大的失真区域。
如上所述，每种DPWM控制方法根据VSI的负载的功率因子而优化。当使用未对特定负载类型进行优化的DPWM控制方法时，负载的功率因子也可能促进失真和控制限制。
现在参照图4，如图1所示的三相VSI10包括根据本发明的动态PWM控制模块110、VSI模块112、诸如AC电机114的负载、和反馈模块116。动态PWM控制模块110包括DPWM选择模块118。选择模块118选择诸如DPWMO、DPWM1、DPWM2或如下所述的其他适当DPWM控制方法的DPWM控制方法。PWM模块110根据所选择的DPWM控制方法运行。例如，PWM控制模块110可以包括DPWMO控制模块120、DPWM1控制模块122、和DPWM2控制模块124。选择模块118根据所选择的DPWM控制方法输出调制信号。或者，DPWM控制模块可以与选择模块118集成为一体。
在另一个实现中，如图5所示，VSI10可以包括多个PWM控制模块130-1、130-2、130-3、...、和130-n，总体称为PWM控制模块130。PWM控制模块130-1、130-2和130-3分别根据DPWMO、DPWM1和DPWM2操作。PWM控制模块130-n根据任何其他适当的PWM控制方法操作。选择模块118根据所选择的PWM控制模块的调制信号选择并输出调制信号132。
参照图4和5，选择模块118根据命令输出电压(即电压幅值)和所有可用的DPWM控制方法的失真区域来选择DPWM控制方法。选择模块118判断命令电压幅值和/或电角度是否在当前有效的DPWM控制方法的失真区域中。例如，选择模块118与反馈模块116通信。反馈模块116确定VSI模块112的输出电流和/或电压。选择模块118部分基于从反馈模块接收的数据确定(例如计算和/或估计)失真区域。例如，选择模块118确定调制指数、电角度θ、和/或负载的功率因子。当命令电压进入失真区域时，选择模块118选择替代的DPWM控制方法。换言之，控制模块118选择在当前调制指数、电角度和/或负载功率因子下不处于失真区域的DPWM控制方法。
现在参照图6，选择模块118执行示例性DPWM选择方法140。方法140在步骤142开始。在步骤144，PWM控制模块根据第一DPWM控制方法操作。在步骤146，方法140如上所述确定与控制限制和/或失真相关的数据。例如，方法140确定调制指数、输出电压/电流(实际的和/或期望的)、电角度和负载功率因子。在步骤148，方法140判断命令电压/电流是否处于第一DPWM控制方法的失真区域中。如果是，方法140继续到步骤150。如果否，方法140继续到步骤144。
在步骤150，方法140判断替代的DPWM控制方法按照当前性能数据(即命令电压/电流)是否将在失真区域中操作。如果是，方法140继续到步骤144。如果否，方法140继续到步骤152。在步骤152，方法140切换到替代的DPWM控制方法。在本发明的优选实现中，方法140从DPWMO和/或DPWM2切换到DPWM1。如图3A和3B所示，当DPWM2和DPWMO的调制信号处于失真区域中时，DPWM1的调制信号不在失真区域中。
在步骤154，方法140判断第一DPWM控制方法是否仍将操作在失真区域中。如果是，方法140继续到步骤154。如果否，方法140继续到步骤156。在步骤156，方法140切换到第一DPWM控制方法。方法140继续到步骤144。这样，方法140在第一DPWM控制方法操作在失真区域中时暂时切换到替代的DPWM控制方法。或者，方法140可以继续根据替代的DPWM控制方法操作，直到替代的DPWM控制方法在失真区域中操作。
DPWMO、DPWM1和DPWM2的失真区域示出为分别绘制在图7A、7B和7C中的空间向量形式中。现在参照图7A，阴影(失真)区域160表示上述脉宽限制和逆变器死区时间引起的失真区域。区域162对应于DPWMO控制方法的控制限制内的脉宽。现在参照图7B，阴影区域164表示DPWM1控制方法的失真区域，并且区域166对应于DPWM1控制方法的控制限制内的脉宽。阴影区域168表示DPWM2控制方法的失真区域，并且区域170对应于DPWM2控制方法的控制限制内的脉宽。失真区域160、164和168可以根据每种DPWM控制方法的已知脉宽和逆变器死区时间约束来确定。
电压向量172、174、176、178、180和182对应于VSI电路中的互补开关对的开关位置。例如，电压向量172表示二进制开关状态010。二进制开关状态中的每个位置是指开关对的开关位置。“0”表示开关对中第一(即上)开关打开，并且开关对中的第二(即下)开关闭合。相反，“1表示第一开关闭合而第二开关打开。图8是说明二进制开关状态和相应开关位置的示例性开关状态图。相脚表示在a、b和c。
再次参照图7A、7B和7C，电压向量对应于VSI的命令输出电压。图7C示出了示例性命令电压向量184。电压向量184的长度对应于命令输出电压的幅值。角度θ对应于输出电压的瞬时角度。如图3-6中所示，本发明的DPWM选择方法根据如图7和8所示的命令输出电压和角度判断当前DPWM控制方法何时运行在失真区域中。这样，DPWM选择方法选择未在失真区域中操作的替代DPWM控制方法。
从上述说明本领域技术人员现在将认识到本发明的广泛教导可以用多种形式实现。所以，虽然已经结合其具体示例说明了本发明，但本发明的真实范围将不为此所限，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，本发明的真实范围将对本领域技术人员变得明显。

Claims (16)

1.一种PWM选择装置，包括：
PWM控制模块，其根据期望的输出信号确定切换控制信号的期望脉宽，并且根据该期望脉宽和第一PWM控制方法控制切换控制信号的实际脉宽；
选择模块，其判断该期望脉宽是否超过脉宽阈值，并且当该期望脉宽超过该脉宽阈值时选择第二PWM控制方法。
2.如权利要求1所述的PWM选择装置，其中该PWM控制模块是DPWM控制模块。
3.如权利要求2所述的PWM选择装置，其中该PWM控制模块操作以根据DPWM0、DPWM1和DPWM2控制方法中的至少一种来控制该实际脉宽。
4.如权利要求1所述的PWM选择装置，其中该期望的输出信号为期望输出电压和期望输出电流中的至少一项。
5.如权利要求4所述的PWM选择装置，其中该选择模块根据该期望输出电压、该期望输出电流、该期望的输出信号的电角度、与该PWM选择装置相关的负载的功率因子、和调制指数中的至少一项来判断该期望脉宽是否超过该脉宽阈值。
6.如权利要求1所述的PWM选择装置，其中当该期望脉宽大于最大脉宽阈值或者小于最小脉宽阈值时，该选择模块判断该期望脉宽超过脉宽阈值。
7.一种电压源逆变器，包括如权利要求1所述的PWM选择装置。
8.根据权利要求7所述的电压源逆变器，其中该电压源逆变器向AC电机提供电流。
9.一种PWM选择装置，包括：
第一PWM控制模块，其根据期望的输出信号确定第一切换控制信号的第一期望脉宽，并且根据该期望脉宽和第一PWM控制方法控制该第一切换控制信号的实际脉宽；
第二PWM控制模块，其根据该期望的输出信号确定第二切换控制信号的第二期望脉宽，并且根据该第二期望脉宽和第二PWM控制方法控制该第二切换控制信号的实际脉宽；
选择模块，其接收第一切换控制信号和第二切换控制信号，判断该第一期望脉宽是否超过脉宽阈值，当该第一期望脉宽未超过脉宽阈值时输出第一切换控制信号，并且当第一期望脉宽超过脉宽阈值时输出第二切换控制信号。
10.如权利要求9所述的PWM选择装置，其中该第一PWM控制方法和第二PWM控制方法中的至少一项是DPWM控制方法。
11.如权利要求10所述的PWM选择装置，其中该DPWM控制方法是DPWM0、DPWM1和DPWM2控制方法中的至少一种。
12.如权利要求9所述的PWM选择装置，其中该期望的输出信号为期望输出电压和期望输出电流中的至少一项。
13.如权利要求12所述的PWM选择装置，其中该选择模块根据该期望输出电压、该期望输出电流、该期望的输出信号的电角度、与该PWM选择装置相关的负载的功率因子、和调制指数中的至少一项来判断该第一期望脉宽是否超过该脉宽阈值。
14.如权利要求9所述的PWM选择装置，其中当该第一期望脉宽大于最大脉宽阈值或者小于最小脉宽阈值时，该选择模块判断该第一期望脉宽超过脉宽阈值。
15.一种电压源逆变器，包括如权利要求9所述的PWM选择装置。
16.根据权利要求15所述的电压源逆变器，其中该电压源逆变器向AC电机提供电流。
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