CN107453638B - 一种五相逆变器脉宽调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五相逆变器脉宽调制方法，主要根据给定的参考电压结合优化的偏移量，控制逆变器五相桥臂上开关器件的开关状态。本发明通过对偏移量的优化，扩大了调制范围，有效的提高了直流母线电压的利用率。并且此调制方法是从能量传递的思想出发，没有考虑负载是否对称，易于推广到驱动容错运行电机的逆变器。

Description

一种五相逆变器脉宽调制方法
技术领域
本发明属于电机驱动系统研究领域，涉及一种五相逆变器脉宽调制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的不断发展，采用逆变器供电的交流电机不再受到电力系统供电相数的限制，多相电机以其优越的性能逐渐受到重视。与常规的三相电机相比，多相电机具有许多突出的优势。例如，多相电机在定子某一相或几相出现故障退出工作时，仍可以降低负载继续运行，适合高可靠性的领域。相数的增加也使得多相电机的转矩脉动变小，降低了电机的噪声与振动。多相电机是实现低压大功率的有效途径，在供电电压受到限制的场合，多相电机较三相电机而言能够实现更大功率的输出。多相逆变器是驱动多相电机的必备装置，为了能够更好地控制多相电机，产生逆变器驱动信号的脉宽调制技术尤为重要。
空间矢量脉宽调制技术由于具有较高的电压利用率、易于数字化实现并且与交流电机的矢量控制理论结合紧密等优点而受到广泛应用。然而这种调制技术存在着扇区划分较多，矢量选择复杂，且不易向更多相数推广的问题。此外，多相电机缺相运行时空间矢量的分布规律性不强，通过计算矢量作用时间来实现脉宽调制是十分困难的。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种避免了复杂的坐标变换、扇区判断和有效矢量作用时间计算的麻烦，易于推广到驱动容错运行电机的逆变器的五相逆变器脉宽调制方法。
技术方案：本发明提供了一种五相逆变器脉宽调制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据给定的五相参考电压值计算逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值；
步骤2：确定一个开关周期内的有效工作时间；
步骤3：定义偏移量并根据公式对偏移量T0进行优化，得到优化后的偏移量T0'，通过优化后的偏移量T0'来定位有效工作时间在一个开关周期内的位置；其中，Ts表示逆变器的开关周期；Tmax表示变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值中的最大值；Tmin表示变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值中的最小值；
步骤4：计算优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间；
步骤5：根据步骤4中得到的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间输出逆变器开关器件的控制信号。
进一步，所述步骤1中逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值根据公式计算获得；其中，Tin表示逆变器第i相上桥臂上开关器件的导通时间初始值；uin *表示第i相给定的五相参考电压；Ts为逆变器的开关周期；udc为逆变器直流母线电压。
进一步，根据公式Teff＝Tmax-Tmin确定一个开关周期内的有效工作时间。
进一步，所述步骤4中的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间根据公式计算获得；其中，Tin'表示优化后逆变器第i相上桥臂上开关器件的导通时间。
进一步，根据步骤5中输出逆变器开关器件的控制信号的方法为：将步骤5中得到的的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间分别对应逆变器五相上桥臂上开关器件驱动脉冲的占空比，将逆变器五相上桥臂上开关器件驱动脉冲的占空比分别与三角载波信号进行比较后产生五相逆变器所需的调制信号。
工作原理：本发明主要根据给定的参考电压结合优化的偏移量，控制逆变器五相桥臂上开关器件的开关状态；通过对偏移量的优化，扩大了调制范围，有效的提高了直流母线电压的利用率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明给出的基于偏移量优化的五相逆变器脉宽调制方法从能量传递的角度出发，在确定逆变器有效工作时间后，通过选择有效工作时间在一个开关周期内的位置确定逆变器各相的导通时间，实现一种全新的五相逆变器脉宽调制方法；
(2)此种调制方法避免了复杂的坐标变换、扇区判断和有效矢量作用时间计算等麻烦，从而优化了运算时间，更易于数字化实现；
(3)在得到有效工作时间后，将偏移量作为自由参数，对其进行优化即可使调制效果大为改善，扩大了调制范围，提高了直流母线电压的利用率。
(4)并且此种调制方法是从能量传递的思想出发，没有考虑负载是否对称，易于推广到驱动容错运行电机的逆变器。
附图说明
图1为五相电压源逆变器的拓扑结构；
图2为本发明提供的方法流程图；
图3为本实施例中五相逆变器在一个开关周期内的开关状态，(a)为一个开关周期内有效工作时间与五相参考电压的关系，(b)为五相逆变器实际导通时间的产生。
图4为本实施例中逆变器a相桥臂上开关器件的触发脉冲图，(a)为偏移量时开关器件的触发脉冲，(b)为优化偏移量时开关器件的触发脉冲。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的提出过程和具体实现方式做更进一步的解释。
如图1所示，在五相逆变器的典型拓扑结构中，直流母线电压为udc，每相桥臂有上下两个开关器件，五相负载为星形连接。定义逆变器第i相的开关函数为Si，本实施例中i＝a、b、c、d、e，上桥臂开关器件开通时Si＝1，下桥臂开关器件开通时Si＝0。逆变器五相桥臂中所有上开关器件或下开关器件同时开通时，直流侧的电能不能传递给电机。只有不同相桥臂的上下开关器件都有通断时，才有逆变器到负载的能量流动。保证在一个开关周期内有效的能量传递，就能够实现电机的平稳运行。
如图2所示，本实施例中给出的五相逆变器脉宽调制方法，包括以下步骤：
步骤1：通过给定的五相参考电压计算出逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间初始值。
式(1)中，udc为逆变器直流母线电压，Ts为逆变器的开关周期，uan *、ubn *、ucn *、udn *、uen *为给定的五相参考电压，Tan、Tbn、Tcn、Tdn、Ten为逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间。
如图3(a)所示，在一个开关周期内，有效的工作时间为Teff。只有在Teff内才有逆变器到负载的能量流动，并且Teff在一个开关周期内的位置并不影响能量传递的大小。找出Tan、Tbn、Tcn、Tdn、Ten中的最大值和最小值，Teff就可按下式得到：
Teff＝Tmax-Tmin (2)
其中，Tmax＝max(Tan,Tbn,Tcn,Tdn,Ten)，Tmin＝min(Tan,Tbn,Tcn,Tdn,Ten)。
如图3(b)所示，为了定位有效工作时间Teff在一个开关周期0--Ts内的位置，定义偏移量T0，得到：
为确保直流侧电能的充分利用，开关器件的实际导通时间应限制为：
0≤Tmin+T0≤Tmax+T0≤Ts (4)
优化后的偏移量T0'可表示为
定义Tan'、Tbn'、Tcn'、Tdn'、Ten'为优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间，可表示为
有效工作时间经过偏移后位于0-Ts区间，所以决定有效工作时间的开关器件导通时间的最大值、最小值都位于0-Ts区间内，因为此时约束条件减弱为：
0≤Tmin≤Tmax≤Ts (7)
由于逆变器开关器件导通时间的约束条件限制着参考电压的范围，所以在约束条件变弱后，参考电压的调制范围随之增大。
本实施例搭建基于TMS320F28069的系统实验平台进行验证。系统实验平台的主体结构分为逆变器主回路和控制回路两部分。由IGBT和二极管构成五相电压源逆变器的主体，五相逆变器的输出与星形连接的五相负载相连。控制回路用于实现新型五相逆变器脉宽调制方法，采用TMS320F28069开发板形成控制开关器件的门极触发脉冲以控制逆变器的运行。
本实施例中的五相脉宽调制方法的主体是在TMS320F28069的EPWM模块中实现的，在EPWM模块中设置时基周期寄存器的值可以得到所需的载波周期，设置计数模式为增减计数，时基计数器从零开始，增加直到达到周期值，然后开始减小直到达到零，以此重复得到三角波作为载波。
五相脉宽调制方法根据给定的五相参考电压值计算得到逆变器五相上桥臂上开关器件导通时间的初始值，继而编程实现有效工作时间计算，然后通过偏移量对有效工作时间在一个开关周期内的位置进行重新调整，最后确定各相开关器件的实际导通时间。
逆变器直流电压可根据负载给定，开关周期设为50微秒。在调试时，可分别给定不同频率和幅值的参考电压来验证脉宽调制方法的调制效果和范围。逆变器a相桥臂上开关器件的触发脉冲如图4所示，其中(a)为偏移量时开关器件的触发脉冲，(b)为优化偏移量时开关器件的触发脉冲。对偏移量进行优化后，五相逆变器开关器件的触发脉冲变化更均匀，调制效果更好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种五相逆变器脉宽调制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据给定的五相参考电压值计算逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值；
步骤2：确定一个开关周期内的有效工作时间；
步骤3：定义偏移量并根据公式对偏移量T0进行优化，得到优化后的偏移量T0'，通过优化后的偏移量T0'来定位有效工作时间在一个开关周期内的位置；其中，Ts表示逆变器的开关周期；Tmax表示逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值中的最大值；Tmin表示逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值中的最小值；
步骤4：计算优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间；
步骤5：根据步骤4中得到的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间输出逆变器开关器件的控制信号。
2.根据权利要求1所述的五相逆变器脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤1中逆变器五相上桥臂上的开关器件的导通时间初始值根据公式计算获得；其中，Tin表示逆变器第i相上桥臂上开关器件的导通时间初始值；uin *表示第i相给定的五相参考电压；Ts为逆变器的开关周期；udc为逆变器直流母线电压。
3.根据权利要求1所述的五相逆变器脉宽调制方法，其特征在于：根据公式Teff＝Tmax-Tmin确定一个开关周期内的有效工作时间。
4.根据权利要求1所述的五相逆变器脉宽调制方法，其特征在于：所述步骤4中的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间根据公式计算获得；其中，Tin'表示优化后逆变器第i相上桥臂上开关器件的导通时间。
5.根据权利要求1所述的五相逆变器脉宽调制方法，其特征在于：根据步骤5中输出逆变器开关器件的控制信号的方法为：将步骤5中得到的优化后逆变器五相上桥臂上开关器件的导通时间分别对应逆变器五相上桥臂上开关器件驱动脉冲的占空比，将逆变器五相上桥臂上开关器件驱动脉冲的占空比分别与三角载波信号进行比较后产生五相逆变器所需的调制信号。
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