CN104124909B - 单周电流实时调制pwm控制方法、装置及具有其的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种单周电流实时调制PWM控制装置及方法，所述装置包括：差值运算模块，用于对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算，生成差值信号；滤波放大模块，用于对差值信号进行滤波以生成滤波后信号并对滤波后信号进行放大，生成控制参考量；三角波载波模块，用于生成周期三角波载波信号；比较输出模块，用于将滤波后信号与周期三角波载波信号进行比较以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块。本发明还提出一种车辆。本发明具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。

Description

单周电流实时调制PWM控制方法、装置及具有其的车辆

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种单周电流实时调制PWM控制装置及方法，以及具有该单周电流实时调制PWM控制装置的车辆。

背景技术

现有的车用异步电机控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制两种。下面分别对这两种控制方法进行说明：

(1)矢量控制技术是比较成熟并常用的异步电机控制技术。这是一种基于坐标变换的技术，通过三相到两相的坐标变换，实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦，进行独立控制，使异步电机具有和直流电机一样的优良的转矩、转速调节特性。其中，转子磁场定向的矢量控制是20年来实际应用最为普遍、最为成熟的高性能交流调速系统技术。

(2)直接转矩控制技术摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值及矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。

但是针对矢量控制和直接转矩控制，目前主流上都采用了空间矢量SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)调制。而SVPWM会给控制本身带来以下问题：SVPWM调制直接受驱动模块开关频率的限制，开关频率通常在5K～20K之间。这样，空间矢量的相位只能按照这个开关频率来累积，当电机转速越高时，一个电流周期内，给定的调制点就越少，也就是给定信号的正弦度越不好，谐波含量越多，这将会影响电机效率。由于SVPWM是空间电压矢量调制，当转子磁链定向不准的时候，很容易造成电机过流。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种单周电流实时调制PWM控制装置。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种单周电流实时调制PWM控制装置，包括：差值运算模块，所述差值运算模块的输入端与电机控制算法模块和电机相连，用于对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算，生成差值信号，其中，所述电机控制算法模块包括：比例积分PI调节模块、相位处理模块、直接数字式频率合成DDS模块，所述PI调节模块用于对输入的有效电流和反馈电流有效信号进行PI调节，生成幅度输入信号；所述相位处理模块用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位；所述DDS模块的输入端分别与所述PI调节模块的输出端和所述相位处理模块的输出端相连，所述DDS模块的输出端与所述差值运算模块的输入端相连，用于对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将所述相位信息转换为对应的数字化正弦幅度信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列，将所述数字化波形序列经过数模转换以生成第一至第三相信号，将所述第一至第三相信号输入至所述差值运算模块；滤波放大模块，所述滤波放大模块的输入端与所述差值运算模块的输出端相连，用于对所述差值信号进行滤波以生成滤波后信号，并对滤波后信号进行放大，生成控制参考量；三角波载波模块，用于生成周期三角波载波信号；比较输出模块，所述比较输出模块的输入端与所述滤波放大模块的输出端和所述三角波载波模块相连，所述比较输出模块的输出端连接至功率驱动模块，用于比较所述控制参考量与所述周期三角波载波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至所述功率驱动模块；所述功率驱动模块根据所述第一至第三相信号驱动所述电机工作。

在本发明的一个实施例中，所述反馈信号为电机反馈的相电流信号。

在本发明的又一个实施例中，所述滤波放大模块对所述差值信号进行均值滤波。

在本发明的再一个实施例中，所述周期三角波载波信号为等腰三角波信号。

在本发明的又一个实施例中，所述电机为车用异步电机。

根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制装置，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。

本发明的另一个目的在于提出一种车辆。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种车辆，包括：上述实施例所述的单周电流实时调制PWM控制装置，所述单周电流实时调制PWM控制装置连接至车辆的异步电机。

根据本发明实施例的车辆，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。

本发明的再一个目的在于提出一种单周电流实时调制PWM控制方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种单周电流实时调制PWM控制方法，包括如下步骤：

S1，对输入的给定信号和来自电机的反馈信号进行差值运算，生成差值信号，其中，给定信号由最小定子电流法结合DDS技术算法，或者矢量控制算法计算得到的中间控制量，其中，电机为异步电机，反馈信号为电机反馈的相电流信号，由此形成了一个相电流负反馈，通过对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算，使得PWM增加了一个负反馈环节；

S2，对所述差值信号进行滤波和放大，生成控制参考量；

S3，生成周期三角波载波信号；

S4，比较所述控制参考量与周期三角波载波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块以由功率驱动模块驱动电机工作，

其中，所述步骤S2和步骤S3并行执行。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S2中，对所述差值信号进行均值滤波。

在本发明的另一个实施例中，所述周期三角波载波信号为等腰三角波信号。

根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制方法，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制简单等优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制装置的结构图；

图2为根据本发明实施例的电机控制算法模块的结构图；

图3为根据本发明实施例的车辆的结构图；

图4为根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

首先需要说明的是，本发明提供的单周电流实时调制PWM控制装置对实时性要求很高，所以整个系统都是基于硬件实现的。

如图1所示，本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制装置10，包括：差值运算模块1、滤波放大模块2、三角波载波模块3和比较输出模块4。

具体来说，差值运算模块1的输入端与电机控制算法模块20和电机M相连，用于对来自电机控制算法模块20的给定信号和电机M的反馈信号进行差值运算，生成差值信号。其中，电机M可以为异步电机。在本发明的一个实施例中，反馈信号可以为电机M反馈的相电流信号，由此形成了一个相电流负反馈。

由此，通过差值运算模块1对给定信号和电机M的反馈信号进行差值运算，使得PWM增加了一个负反馈环节。负反馈包括有以下两个的特点：

(1)减小非线性失真：这样输出信号非线性度可以更加逼近给定信号，即电机控制算法模块20的给定信号，使得实际相电流的正弦度更好。

(2)抑制干扰。当相电流由于某些原因突然变大时，通过上述负反馈环节，送到后续三角波比较的信号就会比原来小，可以很好地抑制了过流现象。

需要说明的是，电机控制算法模块20可以采用最小定子电流法结合DDS技术算法，也可以是矢量控制算法，计算出中间控制量，即给定信号。本发明的单周电流实时调制PWM控制装置10适用于对上述两种算法得到的给定信号进行PWM控制。

如图2所示，电机控制算法模块20包括比例积分PI调节模块21、相位处理模块22和直接数字式频率合成DDS模块23。

具体地，PI调节模块21用于对输入的有效电流Is和反馈电流有效信号Ie进行PI调节，生成幅度输入信号。其中，有效电流Is可以理解为预先给定信号，反馈电流有效信号Ie为根据单周电流实时调制PWM控制装置10输出信号计算得到的反馈电流有效值。其中，单周电流实时调制PWM控制装置10的输出信号在后续实施例中描述，可以理解为电机控制算法模块20和单周电流实时调制PWM控制装置10形成一个反馈。

相位处理模块22用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位。具体地，相位处理模块22对转差频率Ws和转子频率进行加法运算，对加法运算后的信号进行处理以得到同步频率相位。其中，转差频率Ws为预先给定，转子频率是有位置传感器从电机M上采集回的，对转子频率的响应是系统实时性的一个重要体现。

DDS模块23的输入端分别与PI调节模块21的输出端和相位处理模块22的输出端相连，DDS模块23的输出端与差值运算模块1的输入端相连，用于对同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将相位信息转换为对应的数字化正弦幅度信号，根据幅度输入信号和数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列。其中，DDS模块23在每个时钟周期内以二进制码的形式寻址正弦查表ROM，将相位信息转换为对应的数字化正弦幅度信号，根据幅度输入信号和数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列。然后DDS模块23将数字化波形序列经过数模转换以生成第一至第三相信号(IA、IB、IC)，将第一至第三相信号输入至差值运算模块1。

由于DDS技术和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而可以很大程度上抑制过流现象。

滤波放大模块2的输入端与差值运算模块1的输出端相连，用于对差值信号进行滤波以生成滤波后信号，然后对滤波后信号进行放大，生成控制参考量。在本发明的一个实施例中，滤波放大模块可以对差值信号采用均值滤波。

三角波载波模块3用于生成周期三角波载波信号。其中，周期三角波载波信号为等腰三角波信号。其中，滤波放大模块2和三角波载波模块3并行执行。比较输出模块4的输入端与滤波放大模块2的输出端和三角波载波模块3相连，比较输出模块4的输出端连接至电机M。其中，比较输出模块4用于比较控制参考量与周期三角波载波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块5，由功率驱动模块5根据上述第一至第三相信号驱动电机M工作。本发明采用频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波(控制参考量)与载波(等腰三角波)相交时，由它们的交点可以确定后续逆变器开关器件的通断时刻。

根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制装置，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。

如图3所示，本发明还提出一种车辆，包括上述实施例的单周电流实时调制PWM控制装置，其中该单周电流实时调制PWM控制装置连接至车辆的异步电机M。

根据本发明实施例的车辆，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。

图4为根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制方法的控制流程图。

步骤S1，对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算。需要说明的是，给定信号可以是由最小定子电流法结合DDS技术算法，或者矢量控制算法计算得到的中间控制量。本发明的单周电流实时调制PWM控制方法适用于对上述两种算法得到的给定信号进行PWM控制。

其中，电机可以为异步电机。在本发明的一个实施例中，反馈信号可以为电机反馈的相电流信号，由此形成了一个相电流负反馈。

由此，通过对给定信号和电机M的反馈信号进行差值运算，使得PWM增加了一个负反馈环节。负反馈包括有以下两个的特点：

(1)减小非线性失真：这样输出信号非线性度可以更加逼近给定信号，即电机控制算法模块20的给定信号，使得实际相电流的正弦度更好。

(2)抑制干扰。当相电流由于某些原因突然变大时，通过上述负反馈环节，送到后续三角波比较的信号就会比原来小，可以很好地抑制了过流现象。

步骤S2，对差值信号进行滤波和放大，生成控制参考量。在本步骤中，对差值信号可以采用均值滤波。

步骤S3，生成周期三角波载波信号。其中，周期三角波载波信号为等腰三角波信号。需要说明的是，步骤S2和步骤S3可以并行执行。

步骤S4，比较滤波后信号与周期三角波载波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块，由功率驱动模块驱动电机工作。

本发明采用频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波(控制参考量)与载波(等腰三角波)相交时，由它们的交点可以确定后续逆变器开关器件的通断时刻。

根据本发明实施例的单周电流实时调制PWM控制方法，通过SPWM控制在每个周期内强迫开关变量的平均值与滤波后的控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。因此，本发明可以优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制简单等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (9)

1.一种单周电流实时调制PWM控制装置，其特征在于，包括：

差值运算模块，所述差值运算模块的输入端与电机控制算法模块和电机相连，用于对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算，生成差值信号，其中，所述电机控制算法模块包括：比例积分PI调节模块、相位处理模块、直接数字式频率合成DDS模块，

所述PI调节模块用于对输入的有效电流和反馈电流有效信号进行PI调节，生成幅度输入信号；

所述相位处理模块用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位；

所述DDS模块的输入端分别与所述PI调节模块的输出端和所述相位处理模块的输出端相连，所述DDS模块的输出端与所述差值运算模块的输入端相连，用于对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将所述相位信息转换为对应的数字化正弦幅度信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列，将所述数字化波形序列经过数模转换以生成第一至第三相信号，将所述第一至第三相信号输入至所述差值运算模块；

滤波放大模块，所述滤波放大模块的输入端与所述差值运算模块的输出端相连，用于对所述差值信号进行滤波以生成滤波后信号，并对滤波后信号进行放大，生成控制参考量；

三角波载波模块，用于生成周期三角波信号；

比较输出模块，所述比较输出模块的输入端与所述滤波放大模块的输出端和所述三角波载波模块相连，所述比较输出模块的输出端连接至功率驱动模块，用于比较所述控制参考量与所述周期三角波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至所述功率驱动模块；

所述功率驱动模块根据所述第一至第三相信号驱动所述电机工作。

2.如权利要求1所述的单周电流实时调制PWM控制装置，其特征在于，所述反馈信号为电机反馈的相电流信号。

3.如权利要求1所述的单周电流实时调制PWM控制装置，其特征在于，所述滤波放大模块对所述差值信号进行均值滤波。

4.如权利要求1所述的单周电流实时调制PWM控制装置，其特征在于，所述周期三角波载波信号为等腰三角波信号。

5.如权利要求1所述的单周电流实时调制PWM控制装置，其特征在于，所述电机为车用异步电机。

6.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求1-5任一项所述的单周电流实时调制PWM控制装置，所述单周电流实时调制PWM控制装置连接至车辆的异步电机。

7.一种单周电流实时调制PWM控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，对输入的给定信号和来自电机的反馈信号进行差值运算，生成差值信号，其中，给定信号由最小定子电流法结合DDS技术算法，或者矢量控制算法计算得到的中间控制量，其中，电机为异步电机，反馈信号为电机反馈的相电流信号，由此形成了一个相电流负反馈，通过对给定信号和电机的反馈信号进行差值运算，使得PWM增加了一个负反馈环节；

S2，对所述差值信号进行滤波和放大，生成控制参考量；

S3，生成周期三角波载波信号；

S4，比较所述控制参考量与周期三角波载波信号以生成PWM调制信号，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块以由功率驱动模块驱动电机工作，

其中，所述步骤S2和步骤S3并行执行。

8.如权利要求7所述的单周电流实时调制PWM控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述差值信号进行均值滤波。

9.如权利要求7所述的单周电流实时调制PWM控制方法，其特征在于，所述周期三角波载波信号为等腰三角波信号。