CN104506070A - 一种双逆变器的空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

一种双逆变器的空间矢量调制方法，属于逆变器控制领域，本发明为解决现有选取不产生共模电压的基本空间电压矢量进行调制电压，存在直流母线电压利用率较低的问题。本发明方法为：首先将空间电压矢量平面划分为六个扇区，并将参考电压矢量分解为两段矢量：其中一段矢量等效为将双逆变器中的一个逆变器钳位在某一特定开关状态；另一段矢量由另外一个逆变器在其六个子扇区内调制实现；在最大电压范围内进行调制，在矢量合成时引入等效零矢量分配因子，通过零矢量产生的共模电压来抵消基本电压矢量合成时产生的共模电压，抑制双逆变器的共模电压。

Description

一种双逆变器的空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及一种SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation的简称，空间矢量脉宽调制)方法，属于逆变器控制领域。

背景技术

将传统三相电机绕组中性点拆分开，采用两个逆变器分别从绕组的两端供电，构成双逆变器供电的开放式绕组电机驱动系统。双逆变器输出的电压矢量分布与三电平逆变器相同，是一种新型的多电平拓扑，如图1和图2所示。与传统钳位型三电平逆变器相比，双逆变器不存在电容电压均衡问题，并且双逆变器供电的开放式绕组电机系统具有电流控制灵活度高、容错性能优越等优点。双逆变器中两个逆变器的直流端可以分别连接两个隔离的直流电源，也可以并联在一起由一个直流电源供电，分别称为隔离母线双逆变器(图1)和共母线双逆变器(图2)。然而双逆变器的共模电压问题较为突出：对于隔离母线双逆变器供电的开放式电机驱动系统，共模电压将导致电机的轴电压和轴电流，损坏轴承；对于共母线双逆变器系统，共模电压将导致零序电流，影响电机驱动系统的性能。为抑制双逆变器产生的共模电压，可选取不产生共模电压的基本空间电压矢量进行调制，然而由于这些电压矢量并非为双逆变器输出的最大幅值电压矢量，因此直流母线电压利用率较低。

发明内容

本发明目的是为了解决现有选取不产生共模电压的基本空间电压矢量进行调制电压，存在直流母线电压利用率较低的问题，提供了一种双逆变器的空间矢量调制方法。

本发明所述一种双逆变器的空间矢量调制方法，该方法为：首先将空间电压矢量平面划分为六个扇区，并将参考电压矢量分解为两段矢量：其中一段矢量等效为将双逆变器中的一个逆变器钳位在某一特定开关状态；另一段矢量由另外一个逆变器在其六个子扇区内调制实现；在最大电压范围内进行调制，在矢量合成时引入等效零矢量分配因子，通过零矢量产生的共模电压来抵消基本电压矢量合成时产生的共模电压，抑制双逆变器的共模电压。

该方法包括以下步骤：

步骤1、按下式将参考电压矢量OU的αβ轴分量u_α,u_β变换到abc坐标系中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_a\\ u_b=-(u_a-\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\\ u_c=-(u_a+\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\end{array}\right.;$

其中，u_a,u_b,u_c分别为参考电压矢量OU在abc坐标系中的三个分量；

步骤2、根据下表判断该参考电压矢量OU所在扇区：

步骤3、按照扇区中心点X，将参考电压矢量OU分解为OX和XU两段矢量，并确定钳位逆变器和调制逆变器：当扇区号为奇数时，VSI1作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态以获得OX矢量，VSI2作为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量；当扇区号为偶数时，VSI2作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态来获得OX矢量，VSI1为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量；

步骤4、在以X为中心的扇区内，判断XU矢量所在的子扇区；

步骤5、根据子扇区确定用于合成XU矢量的相邻两个电压矢量，并计算前后两个电压矢量的作用时间T₁和T₂；

步骤6、将等效零矢量分配因子x用于零矢量分配，产生零序电压的绝对值为U_dc/3对应的等效零矢量作用时间为xT₀，另外一个等效零矢量作用时间为(1–x)T₀/2；

步骤7、根据扇区和子扇区画出开关波形，计算等效零矢量分配因子x；

步骤8、根据步骤7获取的开关波形，计算双逆变器中各路功率管开关的开关信号占空比；

步骤9、配置DSP的定时器Timer1和Timer3，二者具有相同的配置参数，且同步启动，用于产生两路相同的高频三角载波信号；

步骤10、根据步骤8获取的各路功率管开关的开关信号占空比计算并更新比较寄存器的值，从而在DSP的PWM1～PWM6和PWM7～PWM12引脚分别产生VSI1、VSI2两个逆变器的开关信号，完成双逆变器的空间矢量调制信号的生成。

本发明的优点：为提高双逆变器直流母线电压利用率，同时抑制调制过程中产生的共模电压，本发明提出最大电压范围SVPWM调制方法，并引入等效零矢量分配因子，采用零矢量产生的共模电压来抵消基本电压矢量合成时产生的共模电压，使双逆变器输出的共模电压近似为零。在提高双逆变器输出电压的基础上，能够抑制双逆变器系统的共模电压，降低开关频率。

附图说明

图1为隔离母线双逆变器系统拓扑图；图2为共母线双逆变器系统拓扑图；图3为逆变器1(VSI1)输出的电压矢量空间分布图；图4为逆变器2(VSI2)输出的电压矢量空间分布图；图5为双逆变器输出的电压矢量空间分布图；图6扇区I的矢量合成原理图；图7扇区I的开关波形；图8为未采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的电流波形图；图9为未采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的共模电压和零序电流波形图；图10为采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的电流波形图；图11为采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的共模电压和零序电流波形图；图12是本发明所述一种双逆变器的空间矢量调制方法的具体流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图12说明本实施方式，本实施方式所述一种双逆变器的空间矢量调制方法，该方法为：首先将空间电压矢量平面划分为六个扇区，并将参考电压矢量分解为两段矢量：其中一段矢量等效为将双逆变器中的一个逆变器钳位在某一特定开关状态；另一段矢量由另外一个逆变器在其六个子扇区内调制实现；在最大电压范围内进行调制，在矢量合成时引入等效零矢量分配因子，通过零矢量产生的共模电压来抵消基本电压矢量合成时产生的共模电压，抑制双逆变器的共模电压。

该方法由DSP实现，该方法包括以下步骤：

步骤1、按下式将参考电压矢量OU的αβ轴分量u_α,u_β变换到abc坐标系中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_a\\ u_b=-(u_a-\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\\ u_c=-(u_a+\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\end{array}\right.;$

其中，u_a,u_b,u_c分别为参考电压矢量OU在abc坐标系中的三个分量；

步骤2、根据下表判断该参考电压矢量OU所在扇区：

步骤3、按照扇区中心点X，将参考电压矢量OU分解为OX和XU两段矢量，并确定钳位逆变器和调制逆变器：当扇区号为奇数(或偶数)时，VSI1作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态以获得OX矢量，VSI2作为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量；当扇区号为偶数(或奇数)时，VSI2作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态来获得OX矢量，VSI1为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量。

步骤4、在以X为中心的扇区内，判断XU矢量所在的子扇区；

步骤5、根据子扇区确定用于合成XU矢量的相邻两个电压矢量，并计算前后两个电压矢量的作用时间T₁和T₂；

步骤6、将等效零矢量分配因子x用于零矢量分配，产生零序电压的绝对值为U_dc/3对应的等效零矢量作用时间为xT₀，另外一个等效零矢量作用时间为(1–x)T₀/2，这里0≤x≤1；

步骤7、根据扇区和子扇区画出开关波形，计算等效零矢量分配因子x；

步骤8、根据步骤7获取的开关波形，计算各路信号的占空比；

步骤9、配置DSP的定时器Timer1和Timer3，二者具有相同的周期值配置参数，且同步启动，用于产生高频三角载波信号；

步骤10、根据步骤8获取的各路功率管开关的开关信号占空比计算并更新比较寄存器的值，从而在DSP的PWM1～PWM6和PWM7～PWM12引脚分别产生VSI1、VSI2两个逆变器的开关信号，完成双逆变器的空间矢量调制信号的生成。

PWM1～PWM6用于给VSI1中的六个功率管开关提供开关信号，PWM7～PWM12用于给VSI2中的六个功率管开关提供开关信号。

具体实施方式二：下面结合图1至图11说明本发明的具体实施方式。

图1为隔离母线双逆变器系统拓扑图，双逆变器由两个两电平逆变器VSI1和VSI2构成，两个逆变器分别连接在开放式绕组电机绕组的两端，两个逆变器的直流母线连接在一起。

图2为共母线双逆变器系统拓扑图，双逆变器由两个两电平逆变器VSI1和VSI2构成，两个逆变器分别连接在开放式绕组电机绕组的两端，两个逆变器的直流母线相互隔离，分别由两个独立的直流电源供电。

图3为双逆变器中逆变器VSI1输出的电压矢量空间分布图，VSI1有1～8共8个电压矢量，其中1～6为非零矢量，7、8为零矢量。

图4为双逆变器中逆变器VSI2输出的电压矢量空间分布图，VSI2有1′～8′共8个电压矢量，其中1′～6′为非零矢量，7′、8′为零矢量。

图5为双逆变器输出的电压矢量空间分布图。双逆变器的电压矢量由逆变器VSI1和逆变器VSI2的矢量作差得到，共有8*8＝64种组合，对应于双逆变器的2⁶＝64种开关状态。双逆变器的64个开关状态组合形成19个电压矢量，其中18个非零矢量和1个零矢量。零矢量位于原点O，其他18个非零矢量分别位于三个等边六边形ABCDEF、HJLNQS和GIKMPR的顶点，矢量幅值分别为2U_dc/3、和4U_dc/3。U_dc为直流母线电压。

双逆变器的共模电压为u₀：

$u_0=\frac{1}{3}(u_{a1a2}+u_{b1b2}+u_{c1c2})$

其中：u_a1a2为逆变器VSI1的a₁相与逆变器VSI2的a₂相之间的电压差，即电机的a相绕组电压；u_b1b2为b₁与b₂间的电压，即电机的b相绕组电压，u_c1c2为c₁与c₂间的电压，即电机的c相绕组电压。

双逆变器的64种开关组合所产生的零序电压如下表：

以六边形GIKMPR顶点对应的电压矢量为中心，将矢量平面等分为6个扇区(I～VI)，再将6个扇区分别分为6个子扇区(1～6)，这样矢量空间共分为36个子扇区。扇区I为四边形OSGH区域，以A点为中心分为6个子扇区。当参考电压矢量OU位于扇区I时，可将其分解为OA和AU两个矢量，OA对应逆变器VSI1的基本电压矢量1(100)，AU可由VSI2来合成。因此，本实施方式的双逆变器SVPWM调制算法分为两步：第一步，判断参考电压矢量OU所在扇区，并将其分解为OX和XU两段，其中X为扇区中心(A、B、C、D、E、F)，并选取其中一个逆变器产生矢量OX；第二步，判断XU矢量所在的子扇区，在子扇区内由另一个逆变器产生的两个相邻电压矢量来合成XU矢量。本实施方式的调制算法用到双逆变器幅值最大的电压矢量，属于最大电压范围的调制算法，因此能够提高双逆变器的直流母线电压利用率。

下面具体说明本实施方式的SVPWM算法：

(1)按下式将参考电压矢量OU的αβ轴分量u_α和u_β变换到abc坐标系中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_a\\ u_b=-(u_a-\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\\ u_c=-(u_a+\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\end{array}\right.;$

(2)根据abc三相电压值，按下表判断参考矢量所在扇区：

(3)根据所在扇区号将参考矢量分解：当位于扇区I、III、V时，矢量OA、OC、OE分别由逆变器VSI1钳位在电压矢量1(100)、3(010)、5(001)得到，矢量AU、CU、EU由逆变器VSI2调制得到；当位于扇区II、IV、VI时，矢量OB、OD、OF分别由逆变器VSI2钳位在电压矢量2′(110)、4′(011)、6′(101)得到，矢量BU、DU、FU由逆变器VSI1调制得到。这样VSI1和VSI2交替处于钳位和调制状态，双逆变器整体开关频率降低。交替钳位时，调制逆变器输出的电压矢量XU可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}I:u_{\mathrm{AU\α}}=u_{\mathrm{\α}}-2U_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{AB\β}}=u_{\mathrm{\β}};\\ \mathrm{II}:u_{\mathrm{BU\α}}=u_{\mathrm{\α}}-U_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{BU\β}}=u_{\mathrm{\β}}-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}/3;\\ \mathrm{IIII}:u_{\mathrm{CU\α}}=u_{\mathrm{\α}}+U_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{CU\β}}=u_{\mathrm{\β}}-\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}/3;\\ \mathrm{IV}:u_{\mathrm{DU\α}}=u_{\mathrm{\α}}+{2U}_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{CU\β}}=u_{\mathrm{\β}}\\ V:u_{\mathrm{EU\α}}=u_{\mathrm{\α}}+U_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{EU\β}}=u_{\mathrm{\β}}+\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}/3;\\ \mathrm{VI}:=u_{\mathrm{FU\α}}=u_{\mathrm{\α}}-U_{\mathrm{dc}}/3,u_{\mathrm{FU\β}}=u_{\mathrm{\β}}+\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}/3.\end{array}\right.$

其中：u_AUα为矢量u_AU在α轴上的分量，u_AUβ为矢量u_AU在β轴上的分量；

u_BUα为矢量u_BU在α轴上的分量，u_BUβ为矢量u_BU在β轴上的分量；

u_CUα为矢量u_CU在α轴上的分量，u_CUβ为矢量u_CU在β轴上的分量；

u_DUα为矢量u_DU在α轴上的分量，u_DUβ为矢量u_DU在β轴上的分量；

u_EUα为矢量u_EU在α轴上的分量，u_EUβ为矢量u_EU在β轴上的分量；

u_FUα为矢量u_FU在α轴上的分量，u_FUβ为矢量u_FU在β轴上的分量。

(4)根据XU矢量，在对应扇区内进行SVPWM调制，下面以扇区I为例说明实现算法。

图6为扇区I的矢量合成原理图。在扇区I中，以A为原点建立坐标系a′b′c′。将矢量AU的αβ轴分量u_AUα和u_AUβ变换到a′b′c′坐标系中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AU}{a}^{\′}}=u_{\mathrm{AU\β}}\\ u_{\mathrm{AU}{b}^{\′}}=-(u_{\mathrm{AU\β}}-\sqrt{3}{u}_{\mathrm{AU\α}})/2\\ u_{\mathrm{AU}{c}^{\′}}=-(u_{\mathrm{AU\β}}+\sqrt{3}{u}_{\mathrm{AU\α}})/2\end{array}\right.$

然后，按下表在扇区I内判断矢量AU所处的子扇区：

(5)在子扇区内由相邻两个矢量合成AU。以AU位于子扇区1为例，AU由AG和AH合成，由于逆变器VSI1钳位在1(100)，逆变器VSI2输出矢量应为4′(011)和5′(001)，由矢量合成原理，可求出矢量AG的作用时间T₁和AH的作用时间T₂。定义三个中间变量X、Y、Z：

$\left\{\begin{array}{c}X=\sqrt{3}{u}_{\mathrm{AU\β}}T/U_{\mathrm{dc}}\\ Y=1.5(\sqrt{3}{u}_{\mathrm{AU\β}}/3+u_{\mathrm{AU\α}})T/U_{\mathrm{dc}}\\ Z=1.5(\sqrt{3}{u}_{\mathrm{AU\β}}/3-u_{\mathrm{AU\α}})T/U_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.,$ 式中，T为开关周期。

那么，各个子扇区内前后两个相邻矢量的作用时间T₁和T₂可以汇总在下表中。

子扇区

1

2

3

4

5

6

T1

–Z

Z

X

–X

–Y

Y

T2

X

Y

–Y

Z

–Z

–X

图7为扇区I中子扇区1的开关信号波形。

(6)选取调制逆变器VSI2输出零矢量7′的作用时间分别为xT₀，则零矢量8′的作用时间为(1–x)T₀，这里0≤x≤1。

(7)求取子扇区中使共模电压为零的等效零矢量分配因子x，当参考矢量顶点位于奇数扇区的奇数子扇区或者偶数扇区的偶数子扇区时，等效零矢量分配因子当参考矢量顶点位于奇数扇区的偶数子扇区或者偶数扇区的奇数子扇区时，等效零矢量分配因子 $x=\frac{2}{3}+\frac{T_2}{3T_0}.$

(8)根据开关波形，计算各路信号的占空比，即所有功率管开关的开关信号占空比。

(9)配置DSP的定时器Timer1和Timer3为增/减计数模式，二者具有相同的配置参数，且同步启动，用于产生两路相同的高频三角载波信号。

(10)根据各路开关信号占空比和定时器周期值，计算并更新比较寄存器的值，从而在DSP的PWM1～PWM6和PWM7～PWM12引脚分别产生两个逆变器的开关信号。

图8为未采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的电流波形，三相电流发生严重畸变。

图9为未采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的共模电压和零序电流波形，系统还有较大的共模电压和零序电流。

图10为采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的电流波形，可见，抑制后的三相电流波形趋于正弦。

图11为采用抑制共模电压SVPWM策略时共母线双逆变器系统的共模电压和零序电流波形，系统的共模电压和零序电流得到了有效抑制。

Claims (2)

1.一种双逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，该方法为：首先将空间电压矢量平面划分为六个扇区，并将参考电压矢量分解为两段矢量：其中一段矢量等效为将双逆变器中的一个逆变器钳位在某一特定开关状态；另一段矢量由另外一个逆变器在其六个子扇区内调制实现；在最大电压范围内进行调制，在矢量合成时引入等效零矢量分配因子，通过零矢量产生的共模电压来抵消基本电压矢量合成时产生的共模电压，抑制双逆变器的共模电压。

2.根据权利要求1所述一种双逆变器的空间矢量调制方法，其特征在于，该方法由DSP实现，该方法包括以下步骤：

步骤1、按下式将参考电压矢量OU的αβ轴分量u_α,u_β变换到abc坐标系中：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=u_{\mathrm{\α}}\\ u_b=-(u_{\mathrm{\α}}-\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\\ u_c=-(u_{\mathrm{\α}}+\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}})/2\end{array}\right.;$

其中，u_a,u_b,u_c分别为参考电压矢量OU在abc坐标系中的三个分量；

步骤2、根据下表判断该参考电压矢量OU所在扇区：

步骤3、按照扇区中心点X，将参考电压矢量OU分解为OX和XU两段矢量，并确定钳位逆变器和调制逆变器：当扇区号为奇数时，VSI1作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态以获得OX矢量，VSI2作为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量；当扇区号为偶数时，VSI2作为钳位逆变器，钳位到某一开关状态来获得OX矢量，VSI1为调制逆变器，其电压矢量用于合成XU矢量；

步骤4、在以X为中心的扇区内，判断XU矢量所在的子扇区；

步骤5、根据XU矢量所在的子扇区确定用于合成XU矢量的相邻两个电压矢量，并计算前后两个电压矢量的作用时间T₁和T₂；

步骤6、将等效零矢量分配因子x用于零矢量分配，产生零序电压的绝对值为U_dc/3对应的等效零矢量作用时间为xT₀，另外一个等效零矢量作用时间为(1–x)T₀/2；

步骤7、根据扇区和子扇区画出开关波形，计算等效零矢量分配因子x；

步骤8、根据步骤7获取的开关波形，计算双逆变器中各路功率管开关的开关信号占空比；

步骤9、配置DSP的定时器Timer1和Timer3，二者具有相同的配置参数，且同步启动，用于产生两路相同的高频三角载波信号；

步骤10、根据步骤8获取的各路功率管开关的开关信号占空比计算并更新比较寄存器的值，从而在DSP的PWM1～PWM6和PWM7～PWM12引脚分别产生VSI1、VSI2两个逆变器的开关信号，完成双逆变器的空间矢量调制信号的生成。