CN104201958B - 基于两级h桥的六相感应电机svpwm控制方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法及应用,将基于单相的SVPWM技术,推广到六相感应电机的SVPWM控制及其实现方法,并通过实验验证了此方法的可行性。另外,在已实现SVPWM控制的六相感应电机正常运行的前提下,本发明提出了一种新型的谐波注入方法。

Description

基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法及应用
技术领域
本发明属于SVPWM领域,具体涉及一种六相感应电机SVPWM控制方法。
背景技术
空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation/SVPWM)技术源于三相电机调速控制系统,并被广泛应用于各类PWM逆变电源中。该算法具有母线电压利用率高,开关器件损耗小等优点。单相SVPWM技术是在传统逆变电源SVPWM技术原理的基础上,引入了单相电源的电压状态矢量空间和平面坐标旋转变换。
单相正弦电压的线电压形式如式(1):
                                                                                      (1)
与三相的三维空间坐标旋转变换相似,取轴正方向的单位矢量,做逆变换后即可计算得到原空间电压矢量在轴下的坐标:
                                         (2)
单相全桥逆变器电路拓扑如附图1所示。理想工作状态下,全桥逆变器每一桥臂上下开关管开关状态互补,此逆变桥电路可产生四种离散输出线电压矢量。其中,“0”表示关断,“1”表示开通。单相逆变器的四种开关状态如表1示,即电压矢量在空间上可形成4个离散的电压矢量。
                         (3)
经过坐标旋转可变换为
                                      (4)
 表1 单相逆变器的4种开关状态
SVPWM技术的基本思想是用离散的电压矢量线性拟合期望输出的电压矢量。设为PWM载波周期, 为当前有效电压矢量作用时间,为零电压矢量作用时间,则由伏秒平衡原理可得:
                                                (5)
其中,即为期望的输出电压矢量,
时,即的正半周上时,取
                                  (6)
时,取
           (7)
另外,电压调制比定义为期望输出电压与逆变输出电压矢量模的比值。
                                          ( 8 )
 单相SVPWM的传统开关模式的矢量作用顺序为。其中,对应表1中a=1、b=0的状态,即S1、S4两个管子导通;分别对应a=0、b=0,a=1、b=1时的状态,即零矢量。其矢量分布图如附图4所示。
经实际上电调试,通过控制器给予各IGBT触发脉冲,单相电机可正常运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现六相感应电机高效稳定运行的SVPWM控制方法。本发明六相电机为双Y移30°绕组感应电机,在单相SVPWM技术的基础上,通过移相,来实现六相感应电机的SVPWM控制。
本发明的技术方案是:
一种基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法,所述电机为六相独立绕组:A1,B1,C1,A2,B2,C2,其中A1、B1、C1任意两相之间电角度为120°,A2、B2、C2任意两相之间电角度为120°,A1与A2、B1与B2、C1与C2之间电角度互差30°,其实现步骤如下:
第一步:各项储存器存储正弦波的离散点,通过离散点拟合电压矢量;
第二步:将电压矢量传递给信号保持器;
第三步:根据电压矢量的值计算矢量作用时间及比较值,从而产生各级SVPWM脉冲,其中,电压矢量值每隔一个开关周期刷新一次;
其中,上述第一步离散点拟合正弦电压矢量,k为注入三次谐波的比例系数,k≠0;
上述第三步矢量作用时间及比较值计算如下: 其中,ω为角频率,t为时间, 为三相电源线电压的有效值,为单相全桥逆变器的直流母线电压,为PWM载波周期, 为当前有效电压矢量作用时间,为零电压矢量作用时间, CMPR1、CMPR2为时间比较值。
                
本发明的控制方法可以应用于多种控制器,如单片机、DSP、ARM芯片、FPGA等半导体器件。
对于其它类型的多相电机,如果其定子绕组是各自独立,相互之间没有联接的绕组,也可以采用本发明方法实现SVPWM控制及注入谐波。
本发明的有益效果是将基于单相的SVPWM技术,推广到六相感应电机的SVPWM控制技术,从而为六相感应电机高效稳定运行提供了一种简便、易行的方法。本发明电压矢量通过离散的点拟合,,对适量叠加后可实现三次谐波注入的效果,从而提高输出转矩密度大幅增加。注入三次谐波的大小与k成反比。当时,即相当于拟合,此时存储器中的点即相当于拟合正弦波,从而实现没有谐波注入的两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制。利用此控制方法电机输出转矩大且谐波大小可调控。
附图说明
图1单相全桥逆变器电路拓扑;
图2传统模式下的SVPWM矢量分布图;
图3传统模式下单相SVPWM的实现;
图4两级H桥拓扑结构;
图5 六相感应电机绕组位置关系示意图;
图6六相绕组的感应电动势;
图7 注入20%三次谐波仿真图;
图8 SVPWM调制技术的FPGA实现框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明构建的两级H桥拓扑结构如图4所示,共由24个IGBT组成,直流母线电压为。其中每四个IGBT构成一个两级H桥,每个两级H桥的直流母线电压为 。
本发明电机为六相独立绕组A1、B1、C1、A2、B2、C2,六相感应电机绕组位置关系如图5所示,其中A1、B1、C1任意两相之间电角度为120°,A2、B2、C2任意两相之间电角度为120°,A1与A2、B1与B2、C1与C2之间电角度互差30°。绕组的感应电动势如图6所示。
本发明利用一个单相电机的电压矢量通过相移实现六相感应电机的SVPWM控制。其中,电压矢量通过离散的点拟合。例如,取=10000,经运算可得到144个点来拟合正弦波,如表2示。
 表2拟合正弦波的144个离散点
 由此计算得到当前时刻有效电压矢量与零电压矢量的作用时间、对应得到时间比较值CMPR1和CMPR2,见式(9)、(10)。从而得到对称的PWM波形参见附图3。
                               (9)
                           (10)
此时可实现单相电机正常运行。在此基础上分别后移0、12、48、60、96、108个点,即可实现六相感应电机正常运行。
如图8所示,应用本发明六相感应电机SVPWM控制方法的控制器由以下模块组成:
①    存储器模块:用于存储模拟正弦波的离散的点,存储值的容量与控制器的存储容量有关。对于六相电机的SVPWM实现,六个存储器中的值完全相同,只是开始工作的点有所差别,A1相、A2相、B1相、B2相、C1相、C2相分别从第0个点、第N/12个点、第N/3个点、第5N/12个点、第2N/3个点、第3N/4个点开始;
②    信号保持器:相当于锁存器的功能。用于缓存上次读入的电压矢量的值,可通过定义一个输入控制端以实现每隔一个PWM载波周期刷新至下一个值。同时,可通过变更取地址的大小改变一个周期内对电压矢量的取值个数,即改变生成SVPWM脉冲的频率;
③    矢量作用时间计算模块:选择合适的电压调制比与PWM周期即可计算得到有效电压矢量与零电压矢量的作用时间
④    比较值计算模块:由计算出的矢量作用时间,对应附图3。根据图中高低电平的切换点得到对应的比较值;
⑤     SVPWM脉冲产生模块:由得到的比较值,加入适合的死区时间,产生各极对应的SVPWM脉冲。对于六相电机的SVPWM控制需输出24路脉冲。
三次谐波注入作为一种新型提高输出转矩密度的技术方法,其基本思想是利用三次谐波脉动产生三次谐波电流,从而使输出转矩密度大幅增加。因此如何正确有效的注入谐波显得尤为重要。在Matlab中,对适量叠加后的结果进行仿真,结果表明即可实现三次谐波注入的效果,如图7所示,此图为注入20%电流谐波。
在实现基于两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制算法中,变更存储器中模拟正弦波的离散点为注入三次谐波的正弦波的点,其它模块无需改变,即可实现注入三次谐波的效果,且谐波大小可调。具体实现方法为:通过离散的点来拟合即可。其中,注入三次谐波的大小与k成反比,当时,即相当于拟合,此时存储器中的点即相当于拟合正弦波,从而实现没有谐波注入的两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制。

Claims (3)

1.基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法,其特征在于,所述电机为六相独立绕组:A1,B1,C1,A2,B2,C2,其中A1、B1、C1任意两相之间电角度为120°,A2、B2、C2任意两相之间电角度为120°,A1与A2、B1与B2、C1与C2之间电角度互差30°,六相两级H桥拓扑结构共由24个IGBT组成,直流母线电压为,其中每四个IGBT构成一个两级独立H桥,每个两级独立H桥的直流母线电压为,其实现步骤如下:
第一步:各项储存器存储正弦波的离散点,通过离散点拟合电压矢量;
第二步:将电压矢量传递给信号保持器;
第三步:根据电压矢量的值计算矢量作用时间及比较值,从而产生各级SVPWM脉冲,其中,电压矢量值每隔一个开关周期刷新一次;
其中,上述第一步离散点拟合正弦电压矢量 ,k为注入三次谐波的比例系数,k≠0;
上述第三步矢量作用时间及比较值计算公式为:
其中,ω为角频率,t为时间, 为三相电源线电压的有效值,为单相全桥逆变器的直流母线电压,为PWM载波周期, 为当前有效电压矢量作用时间,为零电压矢量作用时间, CMPR1、CMPR2为时间比较值。
2.根据权利要求1所述的一种基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法,其特征在于,所述方法可应用于单片机、DSP、ARM、FPGA芯片。
3.一种应用如权利要求1所述六相感应电机SVPWM控制方法的控制器,其特征在于:由以下模块组成:
存储器模块:用于存储模拟正弦波的离散的点;
信号保持器:用于缓存上次读入的电压矢量的值,可通过定义一个输入控制端以实现每隔一个PWM载波周期刷新至下一个值,可通过变更取地址的大小改变一个周期内对电压矢量的取值个数,即改变生成SVPWM脉冲的频率;
矢量作用时间计算模块:选择合适的电压调制比与PWM周期即可计算得到有效电压矢量与零电压矢量的作用时间
比较值计算模块:由计算出的矢量作用时间,由高低电平的切换点对应得到相应的比较值;
 SVPWM脉冲产生模块:由得到的比较值,加入适合的死区时间,产生各极对应的SVPWM脉冲。
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