CN105099315A - 空间矢量pwm零基本电压矢量随机化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法。将相电压隐含的调制波分解为确定性部分与随机性部分，随机性部分的均值、标准差等统计特征参数在同一调制比下保持恒定。零基本电压矢量的随机化范围为一个完整的调制波周期内零基本电压矢量最小的作用时间；当用于7段对称调制方式时，随机化范围在最小值的基础上再加上电流测量中需要的最小保持时间，从而提高了测量的精度。本发明的技术方案能实现充分的随机化，又能使隐含的调制波的随机性部分的统计特征参数不随着时间变化，方便基于平稳随机过程的很多研究方法与分析工具的有效应用。

Description

空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法

技术领域

本发明属于交流变频技术领域，具体涉及一种空间矢量PWM零基本电压矢量的随机化方法。

背景技术

两电平三相逆变器可实现将直流电转化为频率与幅值可变的交流电，得到了广泛的应用。例如，在电动汽车的驱动系统中，逆变器负责将电池输出的直流电转化为三相交流电，进而驱动三相永磁同步电动机，如图1所示。逆变器输出的交流电是由电压脉冲根据时间平均的原理来等效的，即脉冲宽度调制(PWM)技术。在两电平三相逆变器中普遍采用的是空间矢量PWM(SVPWM)技术。输出的电压中除了要求的基波电压之外，还包含着大量的谐波，这些谐波带来了能量损耗、电磁辐射等问题。尤其是确定性SVPWM策略的大幅值谐波主要集中在开关频率的整数倍附近，因此这些频率附近的电磁辐射等不良效应就显得更加严重。与之对应的随机SVPWM策略能极大地削弱这些集簇大幅值谐波的峰值、改善谐波特性，具有重要的实用价值及理论意义。

在两电平三相逆变器中，采用SVPWM技术时功率开关管的开关状态一共有8种，对应着8个基本电压矢量，分别为6个非零基本电压矢量（）与2个零基本电压矢量（），如图2所示。任何一个目标电压矢量都是在开关周期内由这8个基本的电压矢量按照矢量和成的方法进行等效。在矢量和成的过程中，零基本电压矢量（）通常都是必须的。在随机SVPWM策略中，两个零基本电压矢量()的作用时间分配关系是一个很重要的随机化的因素。

逆变器与SVPWM策略都属于高度非线性系统，尤其是随机化使系统变得复杂，使逆变器性能的全面分析变得更加困难，这就加大了设计、控制与性能评估的难度。随机过程的原理与技术可用于对随机SVPWM策略进行设计与性能评估；但是，两个零基本电压矢量的随机化等效于在隐含的调制波中引入了随机性部分。而这个随机性部分的统计特征参数随着时间不断变化，这就导致了基于平稳随机过程的很多研究方法与分析工具不能有效地应用，极大地限制了随机SVPWM策略的设计、性能评估及新策略的开发。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种空间矢量PWM(SVPWM)零基本电压矢量随机化方法，能实现充分的随机化，又能使隐含的调制波中的随机性部分的统计特征参数不随随着时间变化，方便基于平稳随机过程的很多研究方法与分析工具的有效应用。

本发明所采用的技术方案如下所描述：

一种空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，相电压隐含的调制波分解为确定性部分与随机性部分，所述随机性部分的均值为0，所述随机性部分的标准差在同一调制比下都保持恒定。

进一步地，所述零基本电压矢量的随机化范围为一个完整的调制波周期内所述零基本电压矢量最小的作用时间。

进一步地，在确定所述零基本电压矢量及的作用时间时，具体步骤为：

S1：根据目标电压矢量计算非零基本电压矢量的作用时间，以及所述零基本电压矢量及总的作用时间T _SV0；

S2：计算所述零基本电压矢量的随机化范围T _R；

S3：生成区间[-0.5，0.5]上代表随机方法中体现随机变量的随机数R；

S4：所述零基本电压矢量的作用的时间T _SV00及的作用时间T _SV07为

。

进一步地，当用于7段对称调制方式时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间。

进一步地，当用于7段对称调制方式时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间再减去电流测量中需要的最小保持时间；当所述零基本电压矢量的随机化范围小于0时，将其设为0。

在上述的方案中，不同开关周期中随机变量相互独立。

更进一步地，当用于所有开关周期中相互独立的随机变量分布特征相同的情况时，将这些所有的随机变量综合为一个随机变量，以此生成随机数。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：

(1)本发明提供的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法中，相电压隐含的调制波中的随机性部分的均值为0、标准差为恒定值。使调制波的随机性部分可近似为平稳随机过程，能够充分利用随机过程的研究方法与分析工具进行随机SVPWM策略的设计与性能评估，可极大地促进随机SVPWM策略的应用与新策略的开发。

(2)本发明提供的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法中，零基本电压矢量随机化的范围为一个完整的调制波周期内所述零基本电压矢量最小的作用时间，这个时间在一个调制波周期内只与调制策略本身与目标电压矢量的幅值/调制比有关。当调制策略确定时，这个最小值时间为调制比的单值函数，容易确定。特别是7段对称调制方式时，随机化范围为每个扇区中间对应的零基本电压矢量的作用时间，其为调制比的线性函数，极大地方便在数字控制系统中的应用。

(3)本发明提供的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法中，随机化范围中包含了电流测量中需要的最小保持时间，充分利用了目前成熟的基于确定性SVPWM的电机闭环控制的软硬件系统。只需要修改程序中两个零矢量作用时间的分配比例，硬件上不需要做任何改动，进而保证了电机闭环控制中电流测量的精度及系统的性能。

附图说明

图1为两电平三相逆变器与电动机连接方法示意图；

图2为基本电压矢量及合成方法示意图；

图3为目标电压矢量合成的一种方法；

图4为7段对称SVPWM合成法示意图；

图5为7段对称SVPWM隐含的调制波及零序分量示意图；

图6为7段对称SVPWM隐含的调制波组成部分示意图；

图7为7段对称SVPWM零序分量组成部分示意图；

图8为调制比为0.8时7段对称SVPWM随机化范围示意图；

图9为调制比为0.8时7段对称SVPWM恒定随机化范围示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，使随机空间矢量PWM(SVPWM)策略下隐含的调制波中的随机性部分的统计特征参数不随时间变化，解决了基于平稳随机过程的很多研究方法与分析工具不能有效地应用、导致性能评估与特性分析起来困难的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，将相电压隐含的调制波分解为确定性部分与随机性部分，所述随机性部分的均值为0，所述随机性部分的标准差在同一调制比下都保持恒定。

其中，所述零基本电压矢量的随机化范围为一个完整的调制波周期内所述零基本电压矢量最小的作用时间。

在确定所述零基本电压矢量及的作用时间时，具体步骤为：

S1：根据目标电压矢量计算非零基本电压矢量的作用时间，以及所述零基本电压矢量及总的作用时间T _SV0；

S2：计算所述零基本电压矢量的随机化范围T _R；

S3：生成区间[-0.5，0.5]上代表随机化方法中体现随机变量的随机数R；

S4：所述零基本电压矢量的作用的时间T _SV00及的作用时间T _SV07为

(1)。

7段对称式SVPWM策略应用最为广泛，如图2中给出的A、B、C三相上臂开关脉冲的形式。此时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用的总时间。

在基于SVPWM技术的电机闭环控制系统中，需要采集三相电流，通常情况下在PWM开关周期的中间时刻测量。为了减小脉冲跳变的干扰与提高相电流的稳定性，进而提高测量的精度，当用于7段对称式SVPWM策略时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间再减去电流测量中需要的最小保持时间；当所述零基本电压矢量的随机化范围小于0时，将其设为0。

在上述的实施方式中，不同开关周期中随机变量相互独立，也就是说，它们可以服从不同的概率分布。

当不同开关周期中随机变量用于所有开关周期中相互独立的随机变量分布特征相同的情况时，将这些所有的随机变量综合为一个随机变量，以此生成随机数。

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行描述。

本发明提供的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法适用的两电平三相逆变器如图1所示，图中连接了Y型电动机负载。逆变器中每相上下两个开关管成互补导通。不同的开关状态可以形成8个基本的电压矢量，包括6个非零基本电压矢量（）和2个零电压矢量（），如图2所示。图中：1表示上臂导通，0表示下臂导通。以6个非零基本电压矢量的端点为顶点的正六边形可分为如图2所示的6个区：I、II、III、IV、V、VI。

任何一个命令电压矢量都是由非零基本电压矢量（）中的若干个以及零基本电压矢量（）通过矢量合成得到，合成时需要在开关周期T _s上满足平均意义上的电压等效，有无穷种合成方式。

例如，图2中所示的第I区中的命令电压矢量，可以由非零基本电压矢量以及零电压矢量（）合成得到；如果命令电压矢量在第II区，可由非零基本电压矢量以及零电压矢量（）合成得到；其他区类推。甚至这8个基本电压矢量都参与合成。在图2及图4中采用的是I区的边界矢量和，以及零电压矢量（）合成得到，这是最常用的合成方式，即7段对称调制方式，此处称作7段对称SVPWM策略。

例如，在I区中如果以及零电压矢量（）参与合成，采用如图3所示的作用顺序，参与合成的5个基本电压矢量的作用时间分别为t ₀、t ₁、t ₂、t ₆、t ₇。零基本电压矢量及总的作用时间T _SV00=t ₀+t ₇。则相对于中性点O，A、B、C三相相电压隐含的参考电压为

(2)。

本发明中，将两个所述零基本电压矢量的作用时间随机分配，此时只需要一个随机变量R来控制。所述零基本电压矢量的随机化范围为T _R，则

(3)。

则A、B、C三相相电压隐含的参考电压为

(4)。

上式等号右端分为可分为两部分：确定性部分与随机性部分。通过控制随机化范围T _R与随机变量R，可控制所述随机性部分的统计特征参数。

本发明中，所述随机性部分的均值为0，所述随机性部分的标准差在同一调制比下都保持恒定。如果随机变量R的分布规律关于0对称，则可使所述随机性部分的均值为0。如果要使所述随机性部分的标准差保持恒定，一种有效的技术方案是：所有开关周期中随机变量分布特征相同，所述零基本电压矢量随机化的范围为一个完整的调制波周期内所述零基本电压矢量最小的作用时间，即同一调制比下所述随机化范围T _R保持不变。

在第I区(以和为边界)中，7段对称SVPWM策略的A、B、C三相上臂开关信号的波形如图4所示，矢量的作用方式为：

(5)。

设调制比为M，则非零基本电压矢量的作用总时间为

(6)。

两个所述零基本电压矢量的作用总时间为

(7)。

当时，即在第I区中间时，所述非零基本电压矢量的作用总时间最小；同理在其他区中，都是在每个区的中间时达到最小。当本发明提供的随机化方法用于7段对称SVPWM策略时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间。此时，随机化范围是调制比M的线性函数，非常方便数字控制系统中编程计算，具体的表达式为

(8)。

当用于7段对称SVPWM策略时，闭环电机控制系统中，需要反馈三相电流的值，通常在开关周期的中间时刻测量电流。因此，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间再加上电流测量中需要的最小保持时间，将此保持时间分配在开关周期的中间，这样可以保证电流测量的精度。当所述零基本电压矢量的随机化范围小于0时，将其设为0。

本发明中提供的零基本电压矢量随机化方法中，控制两个零基本电压矢量作用时间分配的随机变量R在不同开关周期中相互独立。只要随机变量R的分布关于0对称即可保证随机性部分的均值为0。如果要保证随机性部分的标准差恒定为，只需要在生成代表随机变量R的随机数的时候，设定标准差为即可。如果所有开关周期中相互独立的随机变量分布特征相同的时，将这些所有的随机变量综合为一个随机变量，以此生成随机数。

在如图4所示的7段对称SVPWM策略中，A、B、C为三相标号。T ₁、T ₂、T ₃、T ₄、T ₅、T ₆、T ₇为基本电压矢量作用时间；T _S为PWM(载波)周期。此方式可以使每个开关在一个开关周期内只开关一次，并且可获得良好的谐波特性。在传统的7段对称SVPWM策略中，脉冲关于PWM周期中心对称，即T ₁=T ₇，T ₂=T ₆，T ₃=T ₅，T ₁ +T ₇=T ₄。

在7段对称SVPWM策略下实施本发明时，去掉T ₁ +T ₇=T ₄等式约束，即将两个所述零基本矢量的作用时间比例随机分配，此时只需要一个随机变量R来控制。本发明的实施过程中，在确定所述零基本电压矢量及的作用时间时，具体步骤为：

S1：根据目标电压矢量计算非零基本电压矢量的作用时间，以及所述零基本电压矢量及总的作用时间T _SV0；

S2：计算所述零基本电压矢量的随机化范围T _R；

S3：生成区间[-0.5，0.5]上代表随机化方法中体现随机变量的随机数R；

S4：所述零基本电压矢量的作用的时间T _SV00及的作用时间T _SV07

(9)。

如图4所示的确定性7段对称SVPWM策略隐含的零序分量及A相调制波如图5所示，确定性7段对称SVPWM策略本身相当于在三相正弦调制波中注入了近似三角波形的零序分量，使得正弦相电压的顶部(底部)被削成马鞍形，从而提高了逆变器的线性调制范围，被削掉的调制波的顶部(底部)刚好位于6个非零的基本矢量处。

如果以式(7)计算得到所述零基本电压矢量的作用总时间作为随机化范围，则隐含的调制波组成部分如图6所示，相当于在图5所示的调制波中注入了关于0对称的随机性部分。两个所述零基本电压矢量的作用时间分配关系的随机化实际上是改变了零序分量，使零序分量注入了随机性部分，如图7所示。当调制比M=0.8时，对应的随机化范围如图8所示，及随着命令电压矢量相角的变化而变化，但是在每个区的中间取得最小值。

如果以每个区的中间处的零矢量作用总时间作为随机化范围，即按照式(8)进行确定，则对应的随机化范围如图9所示。

无论是图8还是图9所示的随机化范围，如果取随机变量R的概率分布关于0对称，则可使所述随机性部分的均值为0。在图8中，在每个开关周期中设定随机变量R的标准差为，则可使随机性部分的标准差都为。在图9中，如果每个开关周期采用的概率分布规律相同，则随机性部分的均值、标准差等统计特性参数必然相同。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，相电压隐含的调制波分解为确定性部分与随机性部分，所述随机性部分的均值为0，所述随机性部分的标准差在同一调制比下都保持恒定。

2.根据权利要求1所述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，所述零基本电压矢量的随机化范围为一个完整的调制波周期内所述零基本电压矢量最小的作用时间。

3.根据权利要求2所述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，在确定所述零基本电压矢量及的作用时间时，具体步骤为：

S1：根据目标电压矢量计算非零基本电压矢量的作用时间，以及所述零基本电压矢量及总的作用时间T _SV0；

S2：计算所述零基本电压矢量的随机化范围T _R；

S3：生成区间[-0.5，0.5]上代表随机方法中体现随机变量的随机数R；

S4：所述零基本电压矢量的作用的时间T _SV00及的作用时间T _SV07为

。

4.根据权利要求3所述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，当用于7段对称调制方式时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间。

5.根据权利要求4所述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，当用于7段对称调制方式时，所述零基本电压矢量的随机化范围为每个扇区中间对应的所述零基本电压矢量的作用时间再减去电流测量中需要的最小保持时间；当所述零基本电压矢量的随机化范围小于0时，将其设为0。

6.根据权利要求1-5任一项所述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，不同开关周期中随机变量相互独立。

7.根据权利要求6述的空间矢量PWM零基本电压矢量随机化方法，其特征在于，当用于所有开关周期中相互独立的随机变量分布特征相同的情况时，将这些所有的随机变量综合为一个随机变量，以此生成随机数。