CN104270060A - 一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量svpwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，包括如下控制步骤：坐标分量计算、简化的参考电压矢量位置判断、简化的矢量作用时间计算、开关矢量作用次序优化选择；本发明有效解决了传统用于三相异步电机变频调速的SVPWM控制方法计算量大、实时性差的问题。

Description

一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法

技术领域

本发明涉及三相异步电机的变频调速控制技术领域，具体涉及一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法。

背景技术

用于三相异步电机变频调速的PWM有很多种，与传统的SPWM相比，空间矢量脉宽调制技术SVPWM具有转矩脉动小、直流电压利用率高、电流波形畸变小、容易数字化等优点，应用越来越广泛。SVPWM是从如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场的角度出发，以三相对称正弦电压供电时交流电机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通，由比较的结果决定逆变器的开关状态，形成脉宽波形。

一般情况下，SVPWM控制策略可分三步进行：①确定参考电压矢量在两电平空间矢量图的中位置，即进行区域判断；②依据最近三矢量（NTV—Nearest Three Vectors）原则，计算各矢量的作用时间；③按照一个开关周期内逆变器三相桥臂的开关次数总和最少的原则，进行开关矢量优化选择。

传统的SVPWM控制方法中的步骤①②设计复杂的运算，影响系统的实时性。为此，国内外学者对SVPWM进行了深入研究，但仍存不足。如基于直角坐标系的SVPWM需要进行复杂三角函数运算；基于60°坐标系SVPWM，不需要进行三角函数运算，简化了矢量作用时间的计算，但需要进行矩阵运算；基于矢量工作时间的SVPWM虽然避免了三角函数运算和矩阵运算，但扇区判断、矢量作用时间求解分别需要进行求根运算和四则运算。这些简化的SVPWM控制控制策略，一定程度上简化了实现方法，但仍涉及较大计算量，实时性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，本发明有效解决了传统用于三相异步电机变频调速的的SVPWM控制方法，计算量大，实时性差的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，其特征在于：包括如下控制步骤：

a）坐标分量计算：参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上的分量U_x，U_y，U_z，首先建立一个新的三相对称坐标系XYZ，X位于扇区Ⅰ，Y轴位于扇区Ⅳ，Z轴位于扇区Ⅱ，使得两电平空间矢量图及各扇区在坐标系XYZ中严格对称分布，计算参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上投影分量U_x，U_y，U_z，这是后面所述的简化的参考矢量的位置判断、简化的矢量作用时间计算的关键；

b）简化的参考电压矢量位置判断：依据U_x，U_y，U_z判断参考电压矢量U_ref在空间矢量图上的位置，即处于六个扇区中的哪一个扇区，只需判断U_x，U_y，U_z的正负，即可快速的判断参考电压矢量U_ref的位置，比如U_x>0，U_y<0，U_z>0时，可以直接判断U_ref位于扇区Ⅲ；

c）简化的矢量作用时间计算：依据U_x，U_y，U_z计算合成参考电压矢量U_ref的最近的三个基本矢量的作用时间T_l，T_m，T₀，在新坐标系XYZ上，利用伏秒平衡原理计算矢量作用时间，并把最近三矢量的作用时间用坐标分量U_x，U_y，U_z表示时，公式简单明了，计算量小，比如U_ref位于扇区Ⅲ时，三个基本矢量的作用时间分别为T_l=λU_z，T_m=λU_x，T₀= T_s+λU_y；U_ref位于扇区Ⅰ时，三个基本矢量的作用时间分别为T_l=-λU_y，T_m=-λU_z，T₀= T_s-λU_x，位于其他扇区时的矢量作用时间同样非常简洁。

d) 开关矢量作用次序优化选择：目的是使三相桥臂开关器件的损耗总和最小，选择的原则为：任意时刻三相桥臂中最多只能有一相桥臂的功率器件动作，即3位二进制开关状态组合中只有1位变化或没有变化。以扇区Ⅲ为例，比较各种可能的开关矢量作用次序方案，[000]→[100]→[110]→[111]→[110]→[100]→[000]（[000]为首发零矢量）、[111]→[110]→[100]→[000]→[100]→[110]→[111]其中[111]为首发零矢量，这两种方案的开关次数最少，开关损耗最低。本发明选择以[000]为首发零矢量的方案。

本发明进一步技术改进方案是：

所述参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上的分量U_x，U_y，U_z分别为式：

其中，U_α，U_β为参考矢量U_ref在直角坐标系上的分量。

本发明进一步技术改进方案是：

所述参考电压矢量U_ref位于空间矢量图所有扇区的矢量作用时间T_l，T_m，T₀可以归一化为式：

其中，U_l，U_m，U_n对应±U_x，±U_y，±U_z其中的某一个，通过下表可知参考电压矢量U_ref位于不同扇区时的U_l，U_m，U_n取值，

扇区N	Ul	Um	U0
				Ⅲ	Uz	Ux	Uy
Ⅰ	-Uy	-Uz	-Ux
				Ⅴ	Ux	Uy	Uz
Ⅳ	-Uz	-Ux	-Uy
				Ⅵ	Uy	Uz	Ux
Ⅱ	-Ux	-Uy	-Uz

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：本发明采用一种新三相对称坐标系，利用空间矢量图的6个扇区相对新的坐标系严格几何对称的特点，只需计算参考电压矢量U_ref在新坐标系中的分量U_x,U_y,U_z，即可巧妙地简化参考电压矢量U_ref的位置判断和基本矢量作用时间的T_l,T_m,T₀计算，避免了复杂的三角函数运算和矩阵运算，也不需要重复进行求根运算和四则运算，容易数字化，减少了控制芯片的开支，提高了实时性。通过仿真和实验，验证了该算法的有效性，并且此方法可以扩展到三电平及多电平SVPWM中。

附图说明

图1为本发明两电平逆变器拓扑结构；

图2为本发明两电平空间矢量图扇区分布；

图3为本发明三相桥臂的驱动信号；

图4为本发明所有扇区的驱动信号。

具体实施方式

结合附图1、2、3、4对本发明作进一步描述：

如图1所示三相两电平逆变器由6个功率开关器件组成，以o点为参考电压零点，则上管导通、下管关断时用“1”表示该状态，输出相电压为U_dc；上管关断下管导通时用“0”表示该状态，输出相电压为0。

直流中性点o和负载中性点N电位不等，但合成电压空间矢量的表达式相等，即三相合成电压空间矢量与参考点无关。

  （1）

式中α=e^j2π/3，逆变器三相桥臂开关状态共有8种组合，即[000]、[001]、[010]、[100]、[101]、[110]、[111]，将所有组合方式一一代入式（1）即可得对应的8个电压基本矢量，在同一个平面上构成了两电平SVPWM空间矢量图，如图2所示。

在图2中建立一个新的三相对称坐标系XYZ，参考电压矢量U_ref在α轴、β轴上的投影分别为U_α、U_β。U_ref在坐标系XYZ中的坐标分量U_x、U_y、U_z分别为：

     （2）

通过判断U_x，U_y，U_z的正负，即可利用式（3）快速判断参考电压矢量U_ref在空间矢量图上的具体扇区。式中，sign（ε）=1（当ε≥0），sign（ε）=0（当ε<0）。

N=2⁰*sign(U_x)+2¹*sign(U_z)+2²*sign(U_y)（3）

    以参考电压矢量U_ref位于扇区Ⅲ为例，依据最近三矢量（NTV）合成原则，参考电压矢量U_ref由矢量U₄，U₀，U₆合成。依据伏秒平衡原理，可得基本矢量U₄，U₀，U₆的作用时间分别为:

（4）

    T_s为逆变器的一个开关周期，U_dc为逆变器直流环节电压，将T_s/U_dc设为常数λ，则式（4）可简化为式（5）：

（5） 

式（5）就是U_ref位于扇区Ⅲ中的基本矢量作用时间的计算公式，公式简单明了，计算量小。

当U_ref位于其他扇区时的基本矢量作用时间，并不需要重复上面的求解过程。通过图2可见空间矢量图中每个扇区与XYZ坐标系是严格对称的，两个基本矢量的作用时间表达式可归纳出一个规律：某基本矢量的作用时间等于与其最近的坐标轴分量的λ倍，与实际计算结果一致。按照这个规律，可非常方便地直接写出其他扇区的矢量作用时间，如表1所示，T_l、T_m、T₀分别为离U_ref最近的三个矢量的作用时间。

表1 矢量作用时间计算公式表

     。

    通过表1可见，不同扇区的T_l、T_m、T₀之间有其规律。如扇区Ⅰ，只需用-U_z，-U_x，-U_y分别替代扇区Ⅲ作用时间中的U_x，U_y，U_z即得扇区Ⅰ中矢量作用时间。这样，只需计算出扇区Ⅲ中矢量作用时间，其他扇区的矢量作用时间按照表2的逻辑关系替换即可，不再需要依次计算各扇区矢量作用时间，节省了时间，提高了系统实时性。因此，所有扇区的矢量作用时间可以归一化为式（6）。

   （6）

表2 不同扇区计算矢量作用时间所用的坐标分量

。

开关矢量作用次序选择目的是使三相桥臂开关器件的损耗总和最小，选择的原则为：任意时刻三相桥臂中最多只能有一相桥臂的功率器件动作，即3位二进制开关状态组合中只有1位变化或没有变化。

以扇区Ⅲ为例，比较各种可能的开关矢量作用次序方案，[000]→[100]→[110]→[111]→[110]→[100]→[000]（[000]为首发零矢量）、[111]→[110]→[100]→[000]→[100]→[110]→[111]（[111]为首发零矢量）这两种方案的开关次数最少，开关损耗最低，可任选其中一种。以[000]为首发零矢量的方案为例，其对应的三相桥臂开关器件的驱动信号如图3所示，其他扇区的矢量的优化选择可采取相同的方法，可将三相桥臂功率器件的驱动信号绘于空间矢量图中，如图4所示。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，其特征在于：包括如下控制步骤：

a）坐标分量计算：参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上的分量U_x，U_y，U_z，首先建立一个新的三相对称坐标系XYZ，X位于扇区Ⅰ，Y轴位于扇区Ⅳ，Z轴位于扇区Ⅱ，使得两电平空间矢量图及各扇区在坐标系XYZ中严格对称分布，计算参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上投影分量U_x，U_y，U_z；

b）简化的参考电压矢量位置判断：依据U_x，U_y，U_z判断参考电压矢量U_ref在空间矢量图上的位置，即处于六个扇区中的哪一个扇区，只需判断U_x，U_y，U_z的正负，即可快速的判断参考电压矢量U_ref的位置；

c）简化的矢量作用时间计算：依据U_x，U_y，U_z计算合成参考电压矢量U_ref的最近的三个基本矢量的作用时间T_l，T_m，T₀，在新坐标系XYZ上，利用伏秒平衡原理计算矢量作用时间，并把最近三矢量的作用时间用坐标分量U_x，U_y，U_z表示；

d）开关矢量作用次序优化选择：选择的原则为，任意时刻三相桥臂中最多只能有一相桥臂的功率器件动作，即3位二进制开关状态组合中只有1位变化或没有变化，目的是使三相桥臂开关器件的损耗总和最小。

2.根据权利要求1所述的一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，其特征在于：所述参考电压矢量U_ref在新坐标系XYZ三个轴上的分量U_x，U_y，U_z分别为式：

其中，U_α，U_β为参考矢量U_ref在直角坐标系上的分量。

3.根据权利要求1所述的一种用于三相异步电机变频调速的坐标分量SVPWM控制方法，其特征在于：所述参考电压矢量U_ref位于空间矢量图所有扇区的矢量作用时间T_l，T_m，T₀可以归一化为式：

其中，U_l，U_m，U_n对应±U_x，±U_y，±U_z其中的某一个，通过下表可知参考电压矢量U_ref位于不同扇区时的U_l，U_m，U_n取值，

扇区N U_l U_m U₀ Ⅲ U_z U_x U_y Ⅰ -U_y -U_z -U_x Ⅴ U_x U_y U_z Ⅳ -U_z -U_x -U_y Ⅵ U_y U_z U_x Ⅱ -U_x -U_y -U_z

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