CN106787918B - 一种五相逆变器随机svpwm调制方法 - Google Patents

一种五相逆变器随机svpwm调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，属于多相逆变器驱动控制的技术领域。在每一个采样周期内，保持采样周期不变，随机延时PWM脉冲以实现开关周期的随机化，同时，将NFV‑SVPWM算法计算得到的两个零矢量作用时间随机分配，实现开关频率和零矢量作用时间的双随机。本发明的调制方法能够在不影响低频段谐波性能的情况下，大大降低高次谐波的幅值，将原本集中在开关频率及其整数倍周围的谐波分散到更宽的频谱范围内，从而得到更加连续均匀的频谱，有效抑制了电磁干扰和高频噪声，提高了系统的电磁兼容性。

Description

一种五相逆变器随机SVPWM调制方法
技术领域
本发明公开了一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，尤其涉及一种开关频率随机化和零矢量作用时间随机分配的五相逆变器随机SVPWM调制方法，属于多相电机驱动控制的技术领域。
背景技术
随着现代电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，由逆变器驱动的电机系统已经摆脱了三相电网的限制，鉴于三相电机系统在大功率、低压大电流等应用领域出现的一系列问题，多相电机系统逐渐受到越来越多的关注。多相电机系统相比于三相电机系统具有容错性强、可靠性高、转矩脉动小等优点，适用于航空航天、船舰推进、电动汽车等大功率、可靠性要求高且性能要求高的场合。
鉴于多相电机系统的诸多优点和其表现出的很好的应用前景，对多相电机驱动系统的研究具有重要的理论意义和实际价值。目前，两电平电压源逆变器是多相驱动系统最常用的逆变器，多相逆变器的调制技术是实现多相电机驱动的基础和关键技术之一。
空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术由于应用广泛和易于数字化实现等优点在多相系统中备受关注。但是，传统的空间矢量脉宽调制方法都采用固定的开关频率控制功率器件的开通和关断，固定的开关频率会使输出的电压电流中存在大量高次谐波，尤其是在开关频率及其整数倍处，这使得系统电磁兼容性下降并产生明显的高频噪声。
随机调制技术作为一种优化的硬开关调制技术，通过引入随机因子到开关电路的PWM调制，能够将集中的谐波能量分散，有效降低高次谐波的幅值，得到更加连续的功率谱，从而减小高频噪声和驱动系统的机械振动，有效抑制传导EMI，提高电磁兼容性。目前对于随机调制技术的研究仅限于三相系统及其子系统，没有将其应用于非三相子系统构成的多相系统，而针对多相逆变器的空间矢量脉宽调制方法还没有考虑到高频性能的改善，传统PWM的固有问题-电磁干扰以及谐波能量的集中分布等依然存在。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，实现了开关周期和零矢量作用时间的双随机，改善了五相逆变器的高频性能及谐波能量集中分布的特性，解决了现有多相逆变器的空间矢量脉宽调制方法还没有考虑到高频性能的改善以及传统PWM的固有问题依然存在的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，包括如下步骤：
A、确定基波参考电压矢量所属扇区，在基波空间内选取离基波参考电压矢量最近的两个大矢量和两个中矢量合成基波参考电压矢量；
B、依据所选两个大矢量和两个中矢量以及抑制三次谐波的目的确定两个大矢量的作用时间和两个中矢量的作用时间；
C、在保持采样频率不变的情况下，随机延时PWM脉冲以实现开关周期的随机化；
D、根据开关周期随机值和两个大矢量的作用时间以及两个中矢量的作用时间得到零矢量作用时间之和，随机分配零矢量作用时间之和得到各零矢量的作用时间。
进一步的，五相逆变器随机SVPWM调制方法中，步骤A的具体方法为：当基波参考电压矢量在基波空间某一扇区时，在基波空间内选取离基波参考电压矢量最近的两个大矢量和两个中矢量合成基波参考电压矢量：TswUref＝TLUL+TMUM+TL+1UL+1+TM+1UM+1，Uref为基波参考电压矢量，UL、UL+1分别为最近的两个大矢量，TL、TL+1分别为最近两个大矢量的作用时间，UM、UM+1分别为最近的两个中矢量，TM、TM+1分别为最近两个中矢量的作用时间，Tsw为开关周期随机值。
再进一步的，五相逆变器随机SVPWM调制方法中，步骤B的具体方法为：令三次谐波参考电压矢量为零，依据方程：
求解最近两个大矢量作用时间的值和最近两个中矢量作用时间的值，t3和t2分别为最近两个大矢量作用时间TL和TL+1的值，t1和t4分别为最近两个中矢量作用时间TM和TM+1的值，UL、UM、US分别为大矢量、中矢量、小矢量的幅值，UL＝0.6472UDC，UM＝0.4UDC，US＝0.2472UDC，UDC为直流母线电压，Uα、Uβ为基波参考电压矢量在基波空间两正交轴上的投影分量。
进一步的，五相逆变器随机SVPWM调制方法中，步骤C的具体方法为：保持采样频率不变，以开关频率为随机因子，随机延时PWM脉冲得到开关频率随机值fsw：再由开关频率和开关周期互为倒数的数学关系得到开关周期随机值Tsw：rand()为生成[0，1]范围内随机数的函数，fsamp为采样频率，fswmin为设置的开关频率最小值，z-1为复变量。
再进一步的，五相逆变器随机SVPWM调制方法中，步骤D的具体方法为：由表达式：t0＝Tsw-t1-t2-t3-t4得到零矢量作用时间之和t0，再由表达式：随机分配各零矢量的作用时间tz1和tz2。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明提出了基于最近四矢量空间矢量脉宽调制(NFV-SVPWM)算法的五相逆变器双随机SVPWM调制方法，直流母线电压利用率高，开关损耗较低，具有良好的低频谐波性能。
(2)本发明在五相逆变器SVPWM调制算法里以开关频率为随机因子，通过随机延时PWM脉冲以实现开关周期的随机化，零矢量作用时间是根据开关周期随机值和非零电压矢量作用时间确定的零矢量作用时间之和随机分配得到的，实现了零矢量作用时间的双重随机化，在不影响低频段谐波性能的情况下，大大降低高次谐波的幅值，将原本集中在开关频率及其整数倍周围的谐波分散到更宽的频谱范围内，从而得到更加连续均匀的频谱，有效抑制了电磁干扰和高频噪声，提高了系统的电磁兼容性，改善了多相逆变器的高频性能，同时克服了多相逆变器的脉宽调制存在传统PWM固有问题的缺陷。
(3)此种实现方法直接对谐波源进行控制，能够有效抑制电磁干扰，不需要改变电路的拓扑结构，对系统的硬件设计也没有额外要求，即在不增加系统硬件成本的条件下就能实现多相逆变器的随机SVPWM调制方法。
(4)本发明提出的随机调制方法不影响调节器的性能，特别适用于数字控制系统。
附图说明
图1为五相电压源逆变器的拓扑结构。
图2(a)、图2(b)分别为五相逆变器空间电压矢量在基波空间α1-β1、三次谐波空间α3-β3的分布图。
图3为在基波空间一个扇区(第I扇区)内两个大矢量和两个中矢量合成基波参考电压矢量的原理图。
图4为各个扇区内四个有效电压矢量的作用顺序。
图5为基波参考电压矢量在第I扇区内时，开关周期和零矢量作用时间双随机调制输出的脉冲示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
五相电压源逆变桥的拓扑结构如图1所示。直流母线电压为UDC，每个桥臂有上下两个功率开关管，其开通和关断受PWM调制信号的控制。定义开关函数S＝[Sa,Sb,Sc,Sd,Se]，以a相为例，上桥臂开关管导通时Sa＝1，下桥臂开关管导通时Sa＝0，其它相亦然。同一时刻上下桥臂只有一个开关管导通，则空间电压矢量可以表示为：
式(1)中，k＝0,1,2,3…31，是由二进制开关函数转换得到的十进制数。
根据五相电压源逆变器各相桥臂开关状态的不同组合，可以得到包括30个非零矢量、2个零矢量U0和U31的32个基本空间电压矢量。这30个非零矢量按幅值大小可以分成三组：大矢量UL，中矢量UM，小矢量US，其幅值分别为：
三者的幅值之比为1.6182:1.618:1。
这些空间电压矢量在基波空间α1-β1和三次谐波空间α3-β3的分布分别如图2(a)、图2(b)所示。32个空间电压矢量将两个正交子空间等分为十个扇区。
本发明提出的随机SVPWM调制方法包括如下步骤：
当基波参考电压矢量Uref落在基波空间某一扇区时，如图3所示，在基波空间选取围成该扇区最近的两个大矢量UL、UL+1和两个中矢量UM、UM+1合成基波参考电压矢量，可表示为：
TswUref＝TLUL+TMUM+TL+1UL+1+TM+1UM+1 (5)。
式(5)中，UL、UL+1分别为最近的两个大矢量，TL、TL+1分别为最近两个大矢量的作用时间，UM、UM+1分别为最近的两个中矢量，TM、TM+1分别为最近两个中矢量的作用时间，Tsw为开关周期随机值。
根据四个基本电压矢量，通过求解方程(6)可以到四个基本电压矢量的作用时间。为了使合成的三次谐波分量为零，令三次谐波参考电压矢量即：
其中，n为电压扇区信号，Tsw为开关周期随机值，中矢量UM和UM+1作用时间TM和TM+1的值分别为t1和t4，大矢量UL和UL+1作用时间TL和TL+1的值分别为t3和t2。
在本发明提出的调制方法中，开关周期不是固定值，保持采样周期不变，每个开关周期相比于其对应的采样周期延时Δt，则开关周期可表示为：
Tsw＝Tsamp+Δt-Δtz-1 (7)。
为了便于实现，采用开关频率fsw作为随机变量，开关频率变化的最大值为两倍的采样频率，为避免出现开关频率过小的情况，设置一个最小值fswmin，则开关频率在[fswmin，2fsamp]范围内随机变化，即：
其中，rand()是生成[0，1]范围内随机数的函数。取开关频率的倒数，得到随机化的开关周期：
每一路脉冲在中心位置且中心对称安排时，开关次数少，开关损耗小，这等效于四个有效空间电压矢量和两个零矢量依次作用，其中，各扇区中四个有效空间电压矢量作用顺序如图4所示。经随机延时方法得到开关周期后，根据公式(10)计算两个零矢量作用时间之和t0：
t0＝Tsw-t1-t2-t3-t4 (10)。
将零矢量U0和U31作用时间随机分配，按以下公式得到其分别作用时间：
由于开关周期的随机化，两个零矢量作用时间之和t0也随之改变，再将其随机分配给两个零矢量，则零矢量U0和U31各自作用的时间tz1和tz2是经过双重随机化得到的结果。
按照上述方法，将开关周期和零矢量作用时间同时随机化，得到的输出PWM脉冲如图5所示。

Claims (2)

1.一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、确定基波参考电压矢量所属扇区，在基波空间内选取离基波参考电压矢量最近的两个大矢量和两个中矢量合成基波参考电压矢量；
B、依据所选两个大矢量和两个中矢量以及抑制三次谐波的目的确定两个大矢量的作用时间和两个中矢量的作用时间：令三次谐波参考电压矢量为零，依据方程：
求解最近两个大矢量作用时间的值和最近两个中矢量作用时间的值，t3和t2分别为最近两个大矢量作用时间TL和TL+1的值，t1和t4分别为最近两个中矢量作用时间TM和TM+1的值，UL、UM、US分别为大矢量、中矢量、小矢量的幅值，UL＝0.6472UDC，UM＝0.4UDC，US＝0.2472UDC，UDC为直流母线电压，Uα、Uβ为基波参考电压矢量在基波空间两正交轴上的投影分量；
C、在保持采样频率不变的情况下，随机延时PWM脉冲以实现开关周期的随机化：保持采样频率不变，以开关频率为随机因子，随机延时PWM脉冲得到开关频率随机值fsw：再由开关频率和开关周期互为倒数的数学关系得到开关周期随机值Tsw：rand()为生成[0，1]范围内随机数的函数，fsamp为采样频率，fswmin为设置的开关频率最小值，z-1为复变量；
D、根据开关周期随机值和两个大矢量的作用时间以及两个中矢量的作用时间得到零矢量作用时间之和，随机分配零矢量作用时间之和得到各零矢量的作用时间：由表达式：t0＝Tsw-t1-t2-t3-t4得到零矢量作用时间之和t0，再由表达式：随机分配各零矢量的作用时间tz1和tz2。
2.根据权利要求1所述一种五相逆变器随机SVPWM调制方法，其特征在于，步骤A的具体方法为：当基波参考电压矢量落在基波空间某一扇区时，在基波空间内选取离基波参考电压矢量最近的两个大矢量和两个中矢量合成基波参考电压矢量：TswUref＝TLUL+TMUM+TL+1UL+1+TM+1UM+1，Uref为基波参考电压矢量，UL、UL+1分别为最近的两个大矢量，TL、TL+1分别为最近两个大矢量的作用时间，UM、UM+1分别为最近的两个中矢量，TM、TM+1分别为最近两个中矢量的作用时间，Tsw为开关周期随机值。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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