CN108712121B - 基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，其具体涉及的是三相交流电机驱动系统的控制；方法首先根据各种不同分频数时SHEPWM开关角度分布特性，确定同步处理区间；之后根据母线波动的周期性，使用重复预测器生成的滑动预测窗口对下一个处理区间内的直流母线电压波形进行预测；之后根据预测的母线电压波形与开关时刻估计下一个处理区间内的磁链误差，并相应地调整开关时刻以消除磁链误差；本发明中提出的方法能够保留SHEPWM的优良谐波特性，生成滑动预测窗口，得以在任意时刻预测出从该时刻开始将来一段时间内母线电压的波形，为补偿的实施提供条件。
Description
技术领域
本发明涉及三相交流电机的控制技术领域，更具体的说，它涉及基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法。
背景技术
选择谐波消除脉宽调制技术(SHEPWM)作为同步优化调制技术中的一种，能够在一定的每周期脉冲数下尽可能消除阶次较低的电压谐波成分，从而降低总体谐波电流损耗。从另一个角度考虑，使用这一技术可以实现一定的电流谐波总量限制一定的情况下尽量降低每一基波周期内各相的脉冲数，从而降低逆变器开关频率、减小开关损耗。因此，这一技术在大功率电机传动等要求开关频率低及损耗小的场合运用广泛。
在典型的交-直-交电机驱动结构中，直流母线电压往往存在周期性波动(例如，在高铁列车的电气传动系统中，由于是单相交流供电，使得直流母线电压中含有波动成分，波动的基频为输入单相交流电频率的两倍)。这一电压波动成分会引起牵引电机电流与转矩的波动，波动在逆变器输出基频与母线电压波动频率接近时显著增强，产生额外的损耗以及振动和噪音。常规处理方法包括在直流母线上增加LC滤波器、增大母线支撑电容、增加主动电力滤波器(APF)等。以上方法都会引入额外的硬件设备，显著增加系统体积重量以及成本。本发明在不增加额外硬件的基础上，提出了一种纯软件实现的消除直流母线电压的波动所引起的逆变器输出的额外谐波的方法。
针对SHEPWM采用软件实现补偿的困难主要有以下三点：1、由于数字控制系统特性，每一控制周期开始时刻加载的控制量必须在上一个控制周期内就计算得出，而选择谐波消除脉宽调制技术应用时开关频率较低，控制周期也较长，这样如果使用依据当前周期采样得到的直流母线电压计算得到的脉冲指令在下一周期内加载，将会引入等效1.5个控制周期的延时，严重影响控制性能、引入谐波，因此必须在前一周期提前知道下一周期内的母线电压；2、SHEPWM的实现过程中不存在载波的概念，导致传统基于载波周期的占空比补偿方法难以实施；3、选择谐波消除脉宽调制波形的产生与电压矢量的相位同步，因此电流控制环节输出的电压矢量相位必须平稳，否则会引起脉冲输出时序的混乱，这给反馈控制带来了很大困难。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于SHEPWM的直流母线电压波动采样方法，以削弱直流母线波动带来的谐波及其引起的损耗及转矩脉动。
本发明的技术方案如下：
基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，包括如下步骤：
101)电压矢量转换步骤：将标准矢量控制产生的给定电压矢量转换为极坐标下，得到极坐标下电压矢量；
102)采样预测步骤：由极坐标下电压矢量预测形成，从当前时刻延后一定的执行周期时间的给定电压矢量的波形，得到预测波形，并设置一定采样频率采集预测波形，得到处理区间；
103)同步处理步骤：选取不同的脉冲数模式的每相每基波周期脉冲数，并分别划分区间，形成每个区间位置与电压矢量的相位直接唯一相关；
104)区间补偿判断步骤：每一区间内只包括三种状态，其中有且只有两种状态有开关动作，另一种状态为保持开通或关断；有开关动作的状态需要进行区间误差补偿，状态为保持开通或关断则不需要区间误差补偿。
进一步的，预测波形其每一次预测需要母线电压信息在该执行周期开始时刻就要就绪，而执行结果要等到下一个执行周期才能加载，下一个执行周期结束时效果才能完全体现，因此信息要从当前时刻延后至少两个执行周期时间。
进一步的，预测波形时长为2Tmax，采样周期为Ts，则预测波形的预测区间个数设为2Tmax/Ts，延迟量为2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-1,...,3,2,1，这样每个延迟单元输出的依次为将来2Tmax/Ts-2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-(2Tmax/Ts-1),...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2,2Tmax/Ts-1时刻，即0,1,2,...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2，2Tmax/Ts-1各时刻的预测值，形成了在任意时刻得到从该时刻开始直至将来2Tmax/Ts-1时刻之间母线电压的预测波形。
进一步的，给定电压矢量的相位一方面产生同步触发信号，用于开始每次的控制周期、获取启动矢量控制和直流母线电压波动采样；另一方面作为相位依据，结合特定表得到关键角度值，形成用于产生各相的原始脉冲序列。
本发明相比现有技术优点在于：
本发明利用母线电压波动成分的周期性，使用重复预测器预测将来时刻的母线电压值，并对其进行改进，生成滑动预测窗口，得以在任意时刻预测出从该时刻开始将来一段时间内母线电压的波形，为补偿的实施提供条件。
本发明利用了不同分频数模式下SHEPWM开关角度分布的特性，分别对不同模式划分不同长度的等间隔处理区间，使得每一处理区间内的各相开关形式与区间编号一一对应，且每个区间内有且仅有两相具有开关动作，区间编号则由电压矢量的相位决定，为每次计算快速确定下一个处理周期内的原始开关时刻提供便利。
使得本发明可以在不额外增加硬件成本的条件下，保留SHEPWM的优良谐波特性，同时将直流母线电压波动引起的额外输出电压谐波降至最小、大幅降低由于母线电压波动所引起的电机频率接近于母线电压波动频率时的低频谐波电流以及输出转矩波动。
附图说明
图1是本发明的控制系统全局的结构示意；
图2是重复预测器滑动预测窗口的工作原理示意；
图3是不同分频数模式下处理区间的划分示意图；
图4是定子磁链误差的估计与补偿示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一
如图1至图3所示，基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，包括如下步骤：
101)电压矢量转换步骤：将标准矢量控制产生的给定电压矢量转换为极坐标下，得到极坐标下电压矢量。其中给定电压矢量的相位一方面产生同步触发信号，用于开始每次的控制周期、获取启动矢量控制和直流母线电压波动采样；另一方面作为相位依据，结合特定表得到关键角度值，形成用于产生各相的原始脉冲序列。
102)采样预测步骤：由极坐标下电压矢量预测形成，从当前时刻延后一定的执行周期时间的给定电压矢量的波形，得到预测波形，并设置一定采样频率采集预测波形，得到处理区间。
其中预测波形其每一次预测需要母线电压信息在该执行周期开始时刻就要就绪，而执行结果要等到下一个执行周期才能加载，下一个执行周期结束时效果才能完全体现，所以相当于信息要提前两个执行周期。因此，如果执行周期最长的可能值为Tmax，则需要的提前量至少为2Tmax。因此信息要从当前时刻延后至少两个执行周期时间。
其中采样频率设置为100kHz或更高的，用来保证采样的高带宽以及后续预测窗口内波形的高分辨率。预测波形时长为2Tmax，采样周期为Ts，则预测波形的预测区间个数设为2Tmax/Ts，延迟量为2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-1,...,3,2,1，这样每个延迟单元输出的依次为将来2Tmax/Ts-2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-(2Tmax/Ts-1),...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2,2Tmax/Ts-1时刻，即0,1,2,...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2,2Tmax/Ts-1各时刻的预测值，形成了在任意时刻得到从该时刻开始直至将来2Tmax/Ts-1时刻之间母线电压的预测波形。
例如假设t1为当前时刻，重复预测在此刻预测出(t1+2Tmax)时刻的母线电压值。在预测的(t1+2Tmax)时刻的值后加上延迟串，记采样周期为Ts，则延迟串的延迟单元个数就会得到如上所述的2Tmax/Ts。具体如图2中，t1时刻对应的虚线与延迟串的一组交点表示t1时刻的预测窗内的预测值，从下到上依次从当前时刻t1到最远的将来2Tmax-1/fsampling，fsampling为采样频率。例如，假设Tmax为2ms，则最大时间提前量为2Tmax-1/fsampling≈2Tmax＝4ms，100kHz采样频率下对应的延迟串元素数为400，只要处理区间的最大可能长度不超过2ms，便可以保证在任意时刻都能得到将来两个处理区间内的预测母线电压波形。
103)同步处理步骤：选取不同的脉冲数模式的每相每基波周期脉冲数，并分别划分区间，形成每个区间位置与电压矢量的相位直接唯一相关。其中具体的可以选取典型的每相每基波周期脉冲数分别为15、11、7、3的四种模式(也可扩展到其他脉冲数模式)，并且如图3左侧所述，将这4种模式角度范围依次按照15°，20°，30°，60°分别划分为4个，3个，2个，1个区间，则在任意调制深度下，每区间内的角度个数将是确定的。而每个区间位置则与电压矢量的相位直接唯一相关。因此，在4种下分别按照15°，20°，30°，60°将电压矢量角度一周分为24等份，18等份，12等份和6等份，则每一区间内各相的开关形式将是唯一确定的，只是开关时刻在区间内的位置随着调制深度不同而变化。
104)区间补偿判断步骤：每一区间内只包括三种状态，其中有且只有两种状态有开关动作，另一种状态为保持开通或关断；有开关动作的状态需要进行区间误差补偿，状态为保持开通或关断则不需要区间误差补偿。从而充分利用母线电压波动成分的周期性，使用重复预测器预测将来时刻的母线电压值，并对其进行改进，生成滑动预测窗口，得以在任意时刻预测出从该时刻开始将来一段时间内母线电压的波形，从而为后续补偿的实施提供条件。
实施例二
如图1所示为系统结构全局示意图。右侧虚线框内为标准矢量控制过程。矢量控制最终产生的给定电压矢量转换到极坐标下。给定电压矢量的相位一方面产生同步触发信号，用于开始每次的控制周期、启动矢量控制计算以及直流母线电压波动补偿；另一方面作为相位依据，结合查表得到的关键角度值，用于产生各相的原始脉冲序列。直流母线电压波动补偿得到的角度调整值作用于原始脉冲序列，最终产生补偿后的脉冲序列。上述各同步触发信号的相位与后续将要说明的同步处理区间边界保持一致，这样可以保证每次的控制结果适用于下一个区间的执行。
如图2至图4所示，基于转速自适应滑模观测器的无传感器采样方法，包括如下步骤：
101)电压矢量转换步骤：将标准矢量控制产生的给定电压矢量转换为极坐标下，得到极坐标下电压矢量。其中给定电压矢量的相位一方面产生同步触发信号，用于开始每次的控制周期、获取启动矢量控制和直流母线电压波动采样；另一方面作为相位依据，结合特定表得到关键角度值，形成用于产生各相的原始脉冲序列。
102)采样预测步骤：由极坐标下电压矢量预测形成，从当前时刻延后一定的执行周期时间的给定电压矢量的波形，得到预测波形，并设置一定采样频率采集预测波形，得到处理区间。
其中预测波形其每一次预测需要母线电压信息在该执行周期开始时刻就要就绪，而执行结果要等到下一个执行周期才能加载，下一个执行周期结束时效果才能完全体现，所以相当于信息要提前两个执行周期。因此，如果执行周期最长的可能值为Tmax，则需要的提前量至少为2Tmax。因此信息要从当前时刻延后至少两个执行周期时间。
其中采样频率设置为100kHz或更高的，用来保证采样的高带宽以及后续预测窗口内波形的高分辨率。预测波形时长为2Tmax，采样周期为Ts，则预测波形的预测区间个数设为2Tmax/Ts，延迟量为2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-1,...,3,2,1，这样每个延迟单元输出的依次为将来2Tmax/Ts-2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-(2Tmax/Ts-1),...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2,2Tmax/Ts-1时刻，即0,1,2,...,2Tmax/Ts-3,2Tmax/Ts-2,2Tmax/Ts-1各时刻的预测值，形成了在任意时刻得到从该时刻开始直至将来2Tmax/Ts-1时刻之间母线电压的预测波形。
例如假设t1为当前时刻，重复预测在此刻预测出(t1+2Tmax)时刻的母线电压值。在预测的(t1+2Tmax)时刻的值后加上延迟串，记采样周期为Ts，则延迟串的延迟单元个数就会得到如上所述的2Tmax/Ts。具体如图2中，t1时刻对应的虚线与延迟串的一组交点表示t1时刻的预测窗内的预测值，从下到上依次从当前时刻t1到最远的将来2Tmax-1fsampling，fsampling为采样频率。例如，假设Tmax为2ms，则最大时间提前量为2Tmax-1/fsampling≈2Tmax＝4ms，100kHz采样频率下对应的延迟串元素数为400，只要处理区间的最大可能长度不超过2ms，便可以保证在任意时刻都能得到将来两个处理区间内的预测母线电压波形。
103)同步处理步骤：选取不同的脉冲数模式的每相每基波周期脉冲数，并分别划分区间，形成每个区间位置与电压矢量的相位直接唯一相关。其中具体的可以选取典型的每相每基波周期脉冲数分别为15、11、7、3的四种模式(也可扩展到其他脉冲数模式)，并且如图3左侧所述，将这4种模式角度范围依次按照15°，20°，30°，60°分别划分为4个，3个，2个，1个区间，则在任意调制深度下，每区间内的角度个数将是确定的。而每个区间位置则与电压矢量的相位直接唯一相关。因此，在4种下分别按照15°，20°，30°，60°将电压矢量角度一周分为24等份，18等份，12等份和6等份，则每一区间内各相的开关形式将是唯一确定的，只是开关时刻在区间内的位置随着调制深度不同而变化。
104)区间补偿判断步骤：每一区间内只包括三种状态，其中有且只有两种状态有开关动作，另一种状态为保持开通或关断；有开关动作的状态需要进行区间误差补偿，状态为保持开通或关断则不需要区间误差补偿。从而为后续补偿带来便利。
直流母线电压波动补偿方法，主要包括如下步骤：
201)确认开关具体位置步骤：依据当前电压矢量相位，确定划分的区间中对应的开关形式，即判断下一个控制周期对应的处理区间编号，确定其对应的各状态中的开关形式。同时,根据电压矢量幅值与直流母线电压平均值得出调制深度，并通过对应查询表查找对应关键角度值，继而确定开关时刻的具体位置。即如具体图3左侧所示查找对应关键角度值，继而确定各相开关时刻的具体位置。
202)定子磁链误差累积步骤：根据开关具体位置，预测直流母线电压波形。对各相高电平时间内的预测直流母线电压与平均母线电压的差值进行积分，积分值即为估计的下一个处理周期内各状态累积的定子磁链误差。依据预测波形上述的划分区间，进行定子磁链误差的累积
累积公式如下：
其中
为预测直流母线电压，
为平均直流母线电压，level＝high表示积分对应的时间范围为这一区间输出高电平即直流母线电压的区间。
其中以每相每基波周期脉冲数为11的模式下电压矢量角度10°到30°所对应的处理区间为例，其对应的各相开关形式如图4(a)所示。从上到下依次为a,b,c三相。图中阴影区域表示预测的母线电压值与平均母线电压的差值在各相高电平区域内的积分，即累积磁链误差。之后将三相误差按照Clarke变换：
转换到正交坐标系中，得到直轴、交轴定子磁链误差△λa与△λβ.最后，将△λα与△λβ各自的负值映射回处理区间内具有开关动作的两相坐标中，得到该两相定子磁链补偿量
(x为a,b,c中任两相)：
其中从上到下各行分别表示对应a,b，a,c，b,c状态有开关动作的全部情况的表示。
203)调整开关动作步骤：根据定子磁链误差累积、预测直流母线电压，调整开关时刻，得到时刻调整差值积分，该时刻调整差值积分要等于区间定子磁链误差累积，若经过调整直到出现开关时刻到达区间边界或前后两个开关时刻相等，但仍未达到相等的情况，则将剩余未补偿量进行记录，并作为下一个区间的定子磁链误差的累积的一部分。具体如图4所示，图中的(a)定子磁链误差的估计的三种状态，从上往下依次为保持开通或关断状态、有一个开关动作的状态、有两个开关动作的状态。具体补偿方式中从上往下依次为保持开通或关断状态不进行补偿。有一个开关动作的状态，直接进行调整开关时刻。有两个开关动作的状态，从两侧等距离调整。若经过调整直到出现开关时刻到达区间边界或前后两个开关时刻相等，但补偿尚未完成的情况，则将剩余未补偿量记录，在下一个区间的计算中加入到第二步中，作为误差的累积。
其中，现有的前馈补偿方法中因为并不存在对应SHEPWM这类离线优化的调制方式，因此这种方法本身不存在显式的载波周期概念，因此难以按照通常的调整占空比的思路进行补偿。但同样采用同步处理区间的方式，现有的后续补偿直接采用重复预测器的平均预测值方法，即通过多点采集通过平均值进行补偿分析比较，因为现有的区间划分是按一个载波周期进行的整体补偿，必然不会有本方法进行精确细小划分补偿的效果好。尤其在脉冲数很低的时候，本申请的整体方法优势更加明显。
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，在不脱离本发明构思的前提下，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保护范围内。
Claims (4)
1.基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，其特征在于，包括如下
步骤：
101)电压矢量转换步骤：将标准矢量控制产生的给定电压矢量转换为极坐标下，得到
极坐标下电压矢量；
102)采样预测步骤：由极坐标下电压矢量预测形成，从当前时刻延后一定的执行周期
时间的给定电压矢量的波形，得到预测波形，并设置一定采样频率采集预测波形，得到处理
区间；
103)同步处理步骤：选取不同的脉冲数模式的每相每基波周期脉冲数，并分别划分区
间，形成每个区间位置与电压矢量的相位直接唯一相关；
104)区间补偿判断步骤：每一区间内只包括三种状态，其中有且只有两种状态有开关
动作，另一种状态为保持开通或关断；有开关动作的状态需要进行区间误差补偿，状态为保
持开通或关断则不需要区间误差补偿。
2.根据权利要求1所述的基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，
其特征在于：预测波形其每一次预测需要母线电压信息在该执行周期开始时刻就要就绪，
而执行结果要等到下一个执行周期才能加载，下一个执行周期结束时效果才能完全体现，
因此信息要从当前时刻延后至少两个执行周期时间。
3.根据权利要求2所述的基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，
其特征在于：
预测波形时长为2Tmax，采样周期为Ts，则预测波形的预测区间个数设为2T
max/Ts，延迟量为2Tmax/Ts ,2Tmax/Ts-1 ,...,3 ,2 ,1，这样每个延迟单元输出的依次为将来2Tmax/Ts-2Tmax/Ts,2Tmax/Ts-(2Tmax/Ts-1) ,...,2Tmax/Ts-3 ,2Tmax/Ts-2 ,2Tmax/Ts-
1时刻，即0 ,1 ,2 ,...,2Tmax/Ts-3 ,2Tmax/Ts-2 ,2Tmax/Ts-1各时刻的预测值，形成了在任意时刻得到从该时刻开始直至将来2Tmax/Ts-1时刻之间母线电压的预测波形。
4.根据权利要求1所述的基于选择谐波消除脉宽调制的直流母线电压波动采样方法，其特征在于：给定电压矢量的相位一方面产生同步触发信号，用于开始每次的控制周期、获取启动矢量控制和直流母线电压波动采样；另一方面作为相位依据，通过查表得到关键角度值，形成用于产生各相的原始脉冲序列。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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