CN110707988B - 一种特定谐波消除脉宽调制控制系统 - Google Patents

一种特定谐波消除脉宽调制控制系统 Download PDF

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Abstract

一种特定谐波消除脉宽调制控制系统，包括逆变模块、控制单元，其中控制单元的处理器模块包括信号滤波模块、调制度计算模块、频率及角度计算模块、模式选择与切换模块、开关角计算模块、选择和更新模块、脉冲生成模块，通过调制度计算模块、模式选择与切换模块与开关角计算模块的连接可以解决求解开关角度方法较为复杂，需要存储大量的数据的问题；处理器模块开关角计算模块与选择更新模块的连接，选择更新模块与脉冲模块的连接可以降低逆变模块内IGBT的开关损耗，改善低载波比下的电压谐波和转矩脉动；通过处理器模块在处理器FPGA内部实现，可以解决单处理器（DSP）控制精度低，和双处理器（DSP和FPGA）通信延时长的问题。

Description

一种特定谐波消除脉宽调制控制系统
技术领域
本发明涉及一种脉宽调制控制技术，尤其是涉及一种特定谐波消除脉宽调制控制系统。
背景技术
地铁在城市轨道交通中至关重要，地铁车辆牵引系统是地铁车辆关键核心部件。地铁车辆牵引系统，功率较大、开关频率低、速度运行范围较宽，使系统内IGBT开关损耗大、电压谐波含量高、转矩脉动大、运行平稳性差。为使地铁车辆牵引系统开关损耗低、电压谐波含量低、转矩脉动小、并在整个速度范围内平稳运行，牵引系统通常采用多模式脉宽调制控制技术（图2所示），用于降低开关损耗、降低电压谐波含量、减小转矩脉动、提高控制性能。
多模式脉宽调制控制技术通常采用低频时异步调制、中频时普通规则采样同步调制和特殊同步调制、高频时单脉冲方波调制，本申请重点是多模式脉宽调制控制技术中的特殊同步调制技术，即所述特定谐波消除脉宽调制控制，其他异步调制、规则采样调制等不再叙述。
目前，特定谐波消除脉宽调制控制常常采用离线计算开关角度，将其计算结果存储在处理器DSP的ROM或FLASH中，然后在线查询开关角度，采用60度分区实现SHEPWM波形，因此上述实现方法求解开关角度较为复杂，需要存储大量的数据。此外脉宽调制控制系统，其控制单元常常采用单处理器(DSP)或双处理器(DSP和FPGA)，控制精度低、控制延时大。
发明内容
本发明的目的是提供一种特定谐波消除脉宽调制控制系统，可以有效降低开关损耗，改善低载波比下的电压谐波，可以提高控制精度，减小延时，解决需要存储大量数据的问题，有利于更加精准的实现SHEPWM波形。
为实现上述发明目的，本发明提供一种特定谐波消除脉宽调制控制系统，包括逆变模块、控制单元，其中控制单元包括电源模块、信号处理模块和处理器模块，电源模块与信号处理模块和处理器模块连接，为信号处理模块和处理器模块提供电源；信号处理模块与处理器模块连接，为处理器模块提供外部信号；处理器模块最终在接收到外部信号情况下实现脉宽调制控制，从而控制逆变模块对电机进行精准控制，其特征在于所述处理器模块包括：
信号滤波模块，用于对外部的转速、电压及电流信号进行滤波，然后传给调制度计算模块和频率及角度计算模块；
调制度计算模块，用于计算调制度，并将计算的调制度输出给模式选择与切换模块和开关角计算模块；
频率及角度计算模块，用于计算频率及角度，并将计算出的频率及角度输出给模式选择与切换模块、选择和更新模块；
模式选择与切换模块，接收调制度和频率作为判断条件，输出调制模式给开关角计算模块、选择和更新模块；
开关角计算模块，用于计算特定谐波消除脉宽调制的开关角，并将开关角输出给选择和更新模块；
选择和更新模块，接收频率及角度计算模块输出的频率计算周期值输送给脉冲生成模块，接收频率及角度计算模块输出的角度用于扇区值的判断，并且接收模式选择与切换模块输出的调制模式，计算当前调制模式内的占空比也输送给脉冲生成模块；
脉冲生成模块，依据周期值和占空比用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的IGBT。
所述的信号滤波模块主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
所述模式选择与切换模块，根据定子频率和调制度，将定子频率和频率阈值、调制度和调制度阈值作比较，首先判断频率大于第一频率阈值，再判断调制度是否大于第一调制度阈值，如果是则为方波调制，否则为3分频调制；然后判断频率大于第二频率阈值，如果是再判断调制度是否大于第二调制度阈值，如果是则为3分频，否则为7分频；最后判断频率大于第三频率阈值，如果否则为同步调制，如果是再判断调制度是否大于第三调制度阈值，如果是则为7分频，否则为11分频。
所述选择和更新模块包含时钟单元、周期值计算单元、占空比计算单元、扇区判断单元，时钟单元和周期计算单元连接，用于和频率共同计算周期值；周期计算单元与占空比计算单元连接，用于提供周期值；扇区判断单元与占空比计算单元连接，用于提供扇区号；占空比计算单元根据调制模式、开关角、周期值、扇区号进行占空比计算。
所述的脉冲生成模块包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元和比较单元，其中时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于选择和更新模块提供的周期值转换为脉冲生成模块对应的周期值，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元。占空比转换单元与比较单元连接，用于将选择和更新模块提供占空比转换为脉冲生成模块对应的占空比，将转换后占空比传给比较单元。比较单元根据三角载波和占空比用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的IGBT。
本发明采用上述方案产生的积极效果如下：
本发明所提出特定谐波消除脉宽调制控制系统，包括逆变模块，控制单元，处理器模块的调制度计算模块、模式选择与切换模块与开关角计算模块的连接可以解决求解开关角度方法较为复杂，需要存储大量的数据的问题；处理器模块开关角计算模块与选择更新模块的连接，选择更新模块与脉冲模块的连接可以降低逆变模块内IGBT的开关损耗，改善低载波比下的电压谐波和转矩脉动；通过处理器模块在处理器FPGA内部实现，可以解决单处理器（DSP）控制精度低，和双处理器（DSP和FPGA）通信延时长的问题。
附图说明
图1是牵引系统控制框图；
图2是多模式脉宽调制控制技术图；
图3是控制单元组成框图；
图4是控制单元中处理器模块架构关系图；
图5是处理器模块中的信号滤波模块逻辑关系图；
图6是处理器模块中的模式选择与切换模块逻辑关系流程图；
图7为开关角分布图；
图8是处理器模块中的选择和更新模块逻辑关系图；
图9是处理器模块中的脉冲生成模块逻辑关系图。
具体实施方式
参照图1，牵引系统包括牵引逆变器、电机等，牵引逆变器包括直流模块、逆变模块、控制单元，控制单元通过外部输入的模拟量信号（电压Vdc、转矩Te、转速Spd、电流Iu/Iv），经过内部处理和计算发出PWM脉冲信号（斩波控制和逆变控制），进而控制IGBT的开通和关断，实现斩波控制和逆变控制。本发明控制系统实际为牵引逆变器控制系统（电机控制系统）中的一部分，主要包括逆变模块和控制单元，可以实现车辆牵引和制动工况下的电机精准控制。
参照图2，为牵引系统常用的多模式脉宽调制控制技术图，横轴为电机定子频率（单位Hz），纵轴为IGBT开关频率（单位Hz），低频率时采用异步调制（开关频率不变），中频率时采用规则采样普通同步调制（载波比不变），高频率时采用特殊同步调制（载波比不变），最后进入方波调制（载波比为1）。其中特殊同步调制为本发明为核心内容，可以降低开关损耗，改善低载波比下的电压谐波和减小转矩脉动。
参照图3，控制单元包括电源模块、信号处理模块和处理器模块，其中电源模块与信号处理模块和处理器模块连接，为信号处理模块和处理器模块提供电源；信号处理模块与处理器模块连接，为处理器模块提供外部信号；处理器模块最终在接收到外部信号情况下实现特定谐波脉宽调制控制方法。特定谐波脉宽调制控制通过原理图输入或软件语言编程方式并以模块化的形式在处理器Zynq-7000 系列FPGA内部实现。
参照图4，处理器模块包括信号滤波模块、调制度计算模块、频率及角度计算模块、模式选择与切换模块、开关角计算模块、选择和更新模块以及脉冲生成模块，信号滤波模块与调制度计算模块和频率及角度计算模块连接，将外部信号转速、电压、电流进行滤波处理后传给调制度计算模块和频率及角度计算模块；调制度计算模块与模式选择与切换模块和开关角计算模块连接，将计算输出的调制度传给模式选择与切换模块和开关角计算模块；频率及角度计算模块与模式选择与切换模块和选择和更新模块连接，将计算输出的频率传给模式选择与切换模块，将计算输出的频率和角度传给选择和更新模块；模式选择与切换模块与开关角计算模块和选择和更新模块连接，将计算输出的调制模式传给开关角计算模块和选择和更新模块；开关角计算模块和选择和更新模块连接，将计算输出的开关角传给选择和更新模块；选择和更新模块和脉冲生产模块连接，将依据频率、角度、调制模式和开关角计算输出周期值和占空比1/2/3，然后传给脉冲生产模块；脉冲生产模块将依据周期值和占空比1/2/3用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的六个IGBT，实现特定谐波脉宽调制控制。
参照图5，信号滤波模块主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
参照图6，模式选择与切换模块，根据定子频率和调制度，进行特定谐波消除调制模式判断，本发明特定谐波消除脉宽调制模式主要输出三种调制模式为11分频、7分频、3分频。首先判断频率大于第一频率阈值，再判断调制度是否大于第一调制度阈值，如果是则为方波调制，否则为3分频调制；然后判断频率大于第二频率阈值，如果是再判断调制度是否大于第二调制度阈值，如果是则为3分频，否则为7分频；最后判断频率大于第三频率阈值，否则为同步调制，如果是再判断调制度是否大于第三调制度阈值，如果是则为7分频，否则为11分频。
参照图7，所述开关角计算模块，11分频、7分频、3分频三种调制模式对应的开关角数量为5、3、1个。本发明使用MATLAB中的fsolve函数进行非线性方程组的求解，初值给定采用传统的60度制初值给定方法。然后采用开关角线性拟合形式，求解出不同调制度下每个开关角对应的拟合曲线系数（本发明采用3次多项式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
进行分段线性拟合），根据拟合曲线系数、调制模式、调制度在处理器模块中进行计算开关角。
参照图8，选择和更新模块，包含时钟单元、周期值计算单元、占空比计算单元、扇区判断单元。时钟单元和周期计算单元连接，用于和频率共同计算周期值；周期计算单元与占空比计算单元连接，用于提供周期值；扇区判断单元与占空比计算单元连接，用于提供扇区号；占空比计算单元根据调制模式、开关角、周期值、扇区号进行占空比计算。
参照图9，脉冲生成模块包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元。时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟，本发明设置10us；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于选择和更新模块提供的周期值转换为脉冲生成模块对应的周期值，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元。占空比转换单元与比较单元连接，用于将选择和更新模块提供占空比转换为脉冲生成模块对应的占空比，将转换后占空比传给比较单元。比较单元根据三角载波和占空比用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的六个IGBT。
本发明控制流程：
1、电源模块为信号处理模块和处理器模块提供电源。
2、信号处理模块将外部信号进行采样、放大、整定后送入处理器模块。
3、处理器模块的信号滤波模块将外部信号转速、电压、电流进行滤波处理。
4、处理器模块的调制度计算模块根据电压和电流计算调制度。
5、处理器模块的频率及角度计算模块根据转速计算定子频率和控制角度。
6、处理器模块的模式选择与切换模块和开关角计算模块根据调制度和频率分别输出调制模式和开关角。
7、处理器模块的选择和更新模块根据调制模式、开关角、频率和角度计算周期值和占空比1/2/3。
8、处理器模块的脉冲生成模块用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的六个IGBT，对电机进行精准控制。

Claims (2)

1.一种特定谐波消除脉宽调制控制系统，包括逆变模块、控制单元，其中控制单元包括电源模块、信号处理模块和处理器模块，电源模块与信号处理模块和处理器模块连接，为信号处理模块和处理器模块提供电源；信号处理模块与处理器模块连接，为处理器模块提供外部信号；处理器模块最终在接收到外部信号情况下实现脉宽调制控制，从而控制逆变模块对电机进行精准控制，其特征在于所述处理器模块包括：
信号滤波模块，用于对外部的转速、电压及电流信号进行滤波，然后传给调制度计算模块和频率及角度计算模块；
调制度计算模块，用于计算调制度，并将计算的调制度输出给模式选择与切换模块和开关角计算模块；
频率及角度计算模块，用于计算频率及角度，并将计算出的频率及角度输出给模式选择与切换模块、选择和更新模块；
模式选择与切换模块，与所述调制度计算模块、频率及角度计算模块、开关角计算模块、选择和更新模块连接，具体的，模式选择与切换模块根据定子频率和调制度，将定子频率和频率阈值、调制度和调制度阈值作比较，首先判断频率是否大于第一频率阈值，如果是，再判断调制度是否大于第一调制度阈值，如果是则为方波调制，否则为3分频调制；然后判断频率是否大于第二频率阈值，如果是再判断调制度是否大于第二调制度阈值，如果是则为3分频，否则为7分频；最后判断频率是否大于第三频率阈值，如果是再判断调制度是否大于第三调制度阈值，如果是则为7分频，否则为11分频，如果频率小于第三频率阈值，则为同步调制；
开关角计算模块，用于计算特定谐波消除脉宽调制的开关角，并将开关角输出给选择和更新模块；所述开关角计算模块使用MATLAB中的fsolve函数进行非线性方程组的求解，初值给定采用传统的60度制初值给定方法，然后采用开关角线性拟合形式，求解出不同调制度下每个开关角对应的拟合曲线系数，根据拟合曲线系数、调制模式、调制度在处理器模块中进行计算开关角；
选择和更新模块，与所述频率及角度计算模块、开关角计算模块、选择和更新模块、脉冲生成模块连接，接收频率及角度计算模块输出的频率计算周期值输送给脉冲生成模块，接收频率及角度计算模块输出的角度用于扇区值的判断，并且接收模式选择与切换模块输出的调制模式，计算当前调制模式内的占空比也输送给脉冲生成模块；具体的，选择和更新模块包含时钟单元、周期值计算单元、占空比计算单元、扇区判断单元，时钟单元和周期计算单元连接，用于和频率共同计算周期值；周期计算单元与占空比计算单元连接，用于提供周期值；扇区判断单元与占空比计算单元连接，用于提供扇区号；占空比计算单元根据调制模式、开关角、周期值、扇区号进行占空比计算；
脉冲生成模块，依据周期值和占空比对用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的IGBT；具体的，脉冲生成模块包含时钟单元、周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元和比较单元，其中时钟单元与周期转换单元、计数器单元、占空比转换单元、比较单元连接，用于为这些单元提供时钟；周期转换单元与计数器单元、占空比转换单元连接，用于选择和更新模块提供的周期值转换为脉冲生成模块对应的周期值，将转换后的周期值传给计数器单元和占空比转换单元；计数器单元与比较单元连接，计数器单元根据周期值用于产生三角载波，将产生三角载波传给比较单元；占空比转换单元与比较单元连接，用于将选择和更新模块提供占空比转换为脉冲生成模块对应的占空比，将转换后占空比传给比较单元，比较单元根据三角载波和占空比用于产生IGBT脉冲信号，驱动逆变模块的IGBT。
2.根据权利要求1所述的一种特定谐波消除脉宽调制控制系统，其特征在于：所述的信号滤波模块主要包括时钟单元、串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元，时钟单元与串并转换单元、预相加单元、乘累加单元以及寄存器输出单元连接，为这些单元提供时钟；串并转换模块与预相加单元、乘累加单元连接，将信号采样单元输出的信号进行并行和串行转换，然后传给预相加单元和乘累加单元；预相加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行移位和相加处理，并把处理后的数据传给寄存器输出单元；乘累加单元与寄存器输出单元连接，将串并转换模块输出的数据进行比较、相加及移位处理，并将处理后的数据传给寄存器输出单元。
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