CN111146997A - 一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁直驱电力机车调制方法，具体为一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，在电机低频段采用异步SPWM调制方法；随着电机转速的上升载波比逐渐减小时开始启用同步SPWM调制方法；当载波比低于11时启用特定消谐SHEPWM调制方法，从11分频过渡到7分频，7分频过渡到5分频，5分频过渡到3分频；当电机输入电压达到电机最大端电压时，最后由特定消谐SHEPWM调制方法过渡到单脉冲方波调制方法。本发明通过合理的调制策略有效解决了电力机车大功率器件在较低开关频率下谐波大、损耗大的问题，提高直流侧电压利用率可以达到1.15倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁直驱电力机车调制方法，具体为一种永磁直驱电力机车 变流器中高压模块器件多模式调制方法。
背景技术
永磁直驱同步电机以其低速大扭矩、高功率密度、高功率因数、无齿轮箱维 修成本低等优点，越来越受到轨道交通领域的青睐。通常，永磁同步电机广泛采 用SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)和SVPWM(Space Vector PulseWidth Modulation，空间矢量脉宽调制)调制技术，但在轨道交通牵引 系统中供电电压一般较高，牵引系统变流器受散热影响，普遍采用高压大功率模 块，开关频率一般只有几百赫兹，但电机输出调制波频率一般100Hz—300Hz， 受限于开关频率限制，SPWM和SVPWM同步调制技术在低载波比时，会产生 较大的低次谐波和电压误差，并且很难充分利用供电母线电压过渡到方波，此低 载波比调制技术很难应用到轨道交通。因此需要对永磁同步电机调制策略进行优 化。
针对直驱永磁电力机车变流器电压等级高，功率大，功率模块散热需求，要 在保证输出电压波形质量的前提下，以不提高开关频率，不增加系统损耗的前提 下，采用特定消谐的方式进行脉冲的产生，减小永磁电机谐波脉动转矩，保证模 块温升满足要求，提高系统运行的稳定性、可靠性。
专利CN104201969A中SHEPWM(Selective Harmonic Elimination Pulse WidthModulation，特定谐波消除脉宽调制)调制方法，开关角计算设定合理的目 标函数，通过数值迭代在全局范围内寻找特定调制比m的超越方程解，根据开 关轨迹的连续性，以前一调制比m值的方程组解作为当前调制比m值的迭代初 值求出当前m值的方程组解，从而得到整个调制比m范围内的开关角轨迹，将 离线计算的开关角存入DSP中，发波通过中断计算电压矢量角度与当前调制比 m和开关角度N所查出的SHEPWM角度表比较，强制置高或置低从而发出 SHEPWM达到消谐的目的。
专利CN104201969A所介绍的方法能实现特定次消谐的目的，但是需要通 过离线迭代求解超越方程，求解复杂，求解结果以表的型式存入DSP中，脉宽 调制以查表方式进行，DSP数字实现需要设置高速中断，高速中断优先级高于主 中断，高速中断每一个发波周期扫描一次存储的开关角，调制比m值步长选择 对离线计算结果精度产生影响。
发明内容
本发明为了解决轨道交通变流器中，大功率高压大器件模块受系统散热和自 身特性的影响，开关频率只有几百赫兹，电机高速时由于低载波比导致电流波形 畸变的问题，提供一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法， 同时对离线计算出的开关角进行分段多项式拟合，从而可以在程序中进行实时计 算。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种永磁直驱电力机车变流器中高压 模块器件多模式调制方法，包括异步SPWM调制方法、同步SPWM调制方法、特 定消谐SHEPWM调制方法和单脉冲调制方法；在电机低频段采用异步SPWM调 制方法；随着电机转速的上升载波比逐渐减小时开始启用同步SPWM调制方法， 在电机的低频段采用异步SPWM调制方法，可充分利用变流器中高压模块的开关 频率，随着电机转速的上升、载波比逐渐减小则开始启用同步SPWM调制方法， 确保变流器三相输出的对称性，消除谐波损耗；当载波比低于11时启用特定消谐 SHEPWM调制方法，从11分频过渡到7分频，7分频过渡到5分频，5分频过渡到3分频；当电机输入电压达到电机最大端电压时，最后由特定消谐SHEPWM调制 方法过渡到单脉冲方波调制方法。当载波比低于11时，启动特定次消谐SHEPWM 调制方法，从而减小电流低次谐波对系统性能的不利影响，最后充分利用变流器 中直流母线电压，电机端电压饱和后由特定次消谐SHEPWM调制方法过渡到单 脉冲方波调制。
优选的，11分频有5个开关角，其开关角计算过程如下：
若开关角在0-60°范围分布，调制比m≤0.5时5个开关角采用一次多项式拟 合，αi＝Pi[1]*m+Pi[2]，i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.203223967047972，0.349896172817575]；
P2＝[0.0957915964247976，0.349685184785687]；
P3＝[-0.215246399809889，0.699481760220160]；
P4＝[0.159096649917199，0.698336702843463]；
P5＝[-0.201121791540761，1.04803768386291]；
0.5<m≤0.85时，5个开关角采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.1971444900186，0.3113960503647，-0.38505160023927，0.38671951463175]
P2＝[-0.91744238788，1.54417338593292，-0.802601370024385，0.526811443249929]
P3＝[-0.8382928418313，1.39556622401308，-1.02965633953902，0.861195967497204]
P4＝[-1.5292605411912，2.76142687453581，-1.51393397915643，1.03624044238536]
P5＝[-1.5298933051378，2.73524098252053，-1.85602361751888，1.38278034197587]
0.85<m≤mmax时，5个开关角采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2 +Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-56.6406599375，146.729531112452，-127.016289842108，36.8994953945886]
P2＝[-195.0319864782，504.900406011991，-435.986980951578，125.968921172967]
P3＝[-194.1289755952，502.741457727001，-434.578079141195，125.859323308160]
P4＝[-659.3474022195，1705.88839156415，-1471.69557032539，424.163096834833]
P5＝[-625.73871046576，1618.50917893349，-1396.35308527354，402.649929887481]；
若开关角在0-90°范围分布，m≤0.5时5个开关角采用一次多项式拟合，αi＝ Pi[1]*m+Pi[2]，i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[0.160986350699364，0.000477911231267912]
P2＝[0.122314438820365，0.349441088608085]
P3＝[-0.200963893290508，0.699115437444450]
P4＝[0.198207822186706，1.04660863621216]
P5＝[-0.167527096431119，1.39591178590610]
0.5<m≤0.85时，α1采用一次多项式拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]，其余角度采 用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5，各个角 度拟合系数如下：
P1＝[0.147521150361121，0.00719638462876530]
P2＝[-0.9359431176983，1.57291490672111，-0.78864933198884，0.5281650208706]
P3＝[-0.88822793998789，1.49460507142650，-1.07332205491786，0.871703089736465]
P4＝[1.5190408793413，-2.7225383200212，1.8448650608522，0.713912257039747]
P5＝[1.516235180346，-2.73152624793829，1.48681669491476，1.06167509593307]
0.85<m≤mmax时，α1采用一次多项式拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]，其余角度 采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[0.112150888362375，0.0367943798086065]
P2＝[-214.9625407368，557.916383097648，-482.921621117586，139.822006953286]
P3＝[-279.49530143944，725.820040502992，-628.857286231748，182.262562965442]
P4＝[683.138978131654，-1768.23546331184，1526.51344279273， -438.270420431615]
P5＝[723.116829954948，-1872.24444503722，1616.33608143857， -463.989451536675]。
优选的，7分频有3个开关角，其开关角计算过程如下：若开关角在0-60°范 围内，当调制比m≤0.73时开关角α1采用2次多项式拟合，α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m +P1[3]，其他两个角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m +Pi[4]；i＝2-3，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.0563946307885098，-0.287489313478793，0.522866775725874]
P2＝[-0.14127343128328，0.103935575650521，0.18360463597794，0.5243744087009]
P3＝[-0.1450981851382，0.0652874000683879，-0.30675209244015，1.0479617570592]
0.73<m≤0.89时，α1采用2次多项式拟合，α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m+P1[3]， 其他角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3， 各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.649021550589073，0.594686484296535，0.192842655523809]
P2＝[-31.546813544938，72.4635690066245，-55.5013870146634，14.8313167331582]
P3＝[-29.336929467371，67.2741670237901，-51.9938704378686，14.3200307120448]
0.89<m≤mmax时所有角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-3，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-2018.47507248391，5458.72932894024，-4921.61123722575，1479.54563328307]
P2＝[-3263.28472233346，8777.65250689729，-7872.71670543112，2355.04733994510]
P3＝[-2179.69819815462，5847.61464278078，-5232.15329012361，1561.99091883912]；
若开关角在0-90°范围内，对于开关角α1在0-mmax整个调制比范围内采用 一次函数对其进行拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]；对于另外两个角度的拟合在整 个调制比范围内分为三段，每个区段内都采用三次多项式进行拟合，αi＝Pi[1]* m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3，
m≤0.7时拟合系数如下：
P2＝[0.092518531433278，-0.05063272333457，0.29851516748191，1.04679912818198]
P3＝[0.08862025644582，-0.052006721159408，-0.23994731175456，1.57039043051601]
0.7<m≤0.87时拟合系数如下：
P2＝[12.41476291686，-27.3077527342827，20.4533668090878， -3.93209450444358；]
P3＝[12.4004298522274，-27.2842463654847，19.8955219300534， -3.40353994566359]
0.87<m≤mmax时拟合系数如下：
P2＝[1041.0122008989，-2737.46128926178，2401.06249894547， -701.080996855014]
P3＝[1040.6843490052，-2736.61969607121，2399.79283844879， -700.345920641297]。
优选的，5分频有2个开关角，其开关角计算过程如下：若开关角在0-60° 范围内，拟合过程中对两个角度分别进行拟合，其中α1分为四段，α2分为三段 进行拟合；
m<0.11时，α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[81.9091384368862，-19.4831813533431，2.2970536151927，0.0181187153101916]
0.11<m≤0.7时，α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[0.06258616758329，-0.36256145224709，0.704862474341357，0.07098203638419]
0.7<m≤0.9时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[-15.813986867217，34.942802017503，-25.5754135568511，6.61309954969325]
0.9<m≤mmax时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[-1469.10789377798，4005.96094145753，-3643.04734706467，1105.26372140584]
m<0.6时α2＝P2[1]*m2+P2[2]*m+P2[3]，
P2＝[-0.0398268488164215，-0.461757953434433，1.04611545055839]
0.6<m≤0.88时α2＝P2[1]*m3+P2[2]*m2+P2[3]*m+P2[4]，
P2＝[-5.48994777539116，10.8369012222036，-7.71763648823403，2.66967980545356]
0.88<m≤mmax时α2＝P2[1]*m3+P2[2]*m2+P2[3]*m+P2[4]，
P2＝[-544.827372574296，1458.3381824085，-1303.14621536847，389.244459265130]。
优选的，3分频有1个开关角，其开关角计算过程如下：
优选的，在非方波模式下，采用最大转矩电流比双PI电流环分别控制交直 轴电流，同时控制电压矢量的幅值和角度，从而达到控制电机转矩的目的，当单 脉冲调制方法后，电机电压矢量的幅值是固定的，直流电压的利用率达到最大， 此时由于电压幅值不可控，只有电压相位可以改变，此时无法兼顾对转矩闭环和 励磁闭环的控制，在方波情况下，将PI控制器切除，控制模式从最大转矩电流 比过渡到永磁高速弱磁控制，此时只通过控制转矩分量来计算电压矢量，系统处 于单电流环控制，在非方波模式下，随着调制比m值升高SHEPWM对应不同的 角度，当m值达到最大时进入方波调制，这时开关角度为0，随着调制比m值 的升高变化SHEPWM开关角度逐渐减小，系统实现SHEPWM模式和方波模式 间平滑切换。
本发明通过合理的调制策略有效解决了电力机车大功率器件在较低开关频 率下谐波大、损耗大的问题，提高直流侧电压利用率可以达到1.15倍。并已在电 力机车变流器上成功应用，取得良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为奇数个开关角SHEPWM波形图，正半周期的初始电平为负。
图2为偶数个开关角SHEPWM波形图，正半周期的初始电平为正。
图3为开关角个数为2和3时开关角度随调制比的分布图。
图4为开关角个数为4和5时开关角度随调制比的分布图。
图5为开关角个数为7和1时开关角度随调制比的分布图。
图6为N＝7时开关角拟合误差曲线(0-60°分布)。
图7为N＝7时开关角拟合误差曲线(0-90°分布)。
图8为N＝5时开关角拟合误差曲线(0-60°分布)。
图9为N＝5时开关角拟合误差曲线(0-90°分布)。
图10为N＝3时开关角拟合误差曲线(0-60°分布)。
图11为N＝3时开关角拟合误差曲线(0-90°分布)。
图12为N＝2时开关角拟合误差曲线(0-60°分布)。
图13为实施例多模式调制策略图。
图14为实施例N＝5时SHEPWM实现方式图。
具体实施方式
本发明主要适用于地铁、电力机车或者动车组在内的大功率牵引逆变器或者 辅助逆变器的特定次谐波消除调制方式开关角的计算。在离线计算出开关角之后 利用分段拟合的方式实现开关角的在线实时调用。
1.SHEPWM开关角推导
理论上双极性SHEPWM波形每周期可以有任意次开关状态。图1和图2展 示了两种SHEPWM波形，每个周期均有4N+2次开关状态。
(图1)A波形和(图2)B波形均是半周期和四分之一周期对称。通常， N为奇数时采用A波形，N为偶数时采用B波形。A波形起始状态为低电平，B 波形起始状态为高电平。A波形和B波形用傅里叶级数统一表示为
其中
因SHEPWM在基波π/2+kπ处具有轴对称性，kπ处具有点对称性，数学 表达式即
将式(2)代入an,bn可得，an始终为0，当n为偶数时，bn为0，当n为奇 数时
式(3)中，αk为[0,π/2]区间内N个开关角中的第k个，n为谐波次数。
对于三相对称系统，三的整数倍次谐波电压不会产生谐波电流，对电机转矩 不影响，因此n＝6k±1，根据以上所述，特定消谐方程组如式(4)，开关角度就 是通过求解(4)式所组成的方程组得到。进一步化简可以得到(5)式。
式中：N为
区间内开关角的数量，αi为
区间内的第i个开关角，n 为谐波的次数，Ud为直流母线电压，Uo1和b1是基波电压，m是调制比， m＝Uo1/(2Ud/π)。
消谐方程组中有N个变量α1,α2,α3.....αN，使基波幅值Uo1为一指定值，对应 的方程组中有N个方程，包含一个基波方程和N-1个谐波电压方程。因此N个 开关角度在满足基波要求的基础上就只能消除N-1次谐波。N个开关角度对应每 个周期的脉冲个数为2N+1。
式(4)并不是在整个调制比范围内都有解，而是存在一个最大调制比。在 同样的开关角个数下，初值不同最大调制比也是不同的。
2、SEHPWM开关角的计算
计算出开关角个数分别为1、2、3、4、5、7时的开关角随调制比的变化曲线 如图3所示。对于开关角个数大于7的情况，即每个周期有脉冲数大于15，因为谐 波次数一般比较高，在电力机车牵引传动系统等大功率系统中一般没有必要采用 SHEPWM。
图3中一组解的角度分布范围为0-60°(实线)，另一组为0-90°(虚线)，从图 中可以看到在调制比比较低的时候开关角度基本上随着调制比线性变化，当调制 比较高时才会变化比较剧烈。如果取合适的开关角初值，可以得到其他不同的解， 但是在所有的解中，只有一组解的分布范围为0-60°。为了方便后文中的叙述， 如果开关角度分布在0-60°之间，称之为不连续开关方式，否则称为连续开关方 式。前者意味着逆变器每一相在正负半周中各有60°区间被钳位于正或者负母线 电压。
从图中可以看到SHEPWM的开关角度在整个调制比范围内的分布是连续的， 中间没有断点，这非常有利于该调制方式的实现。
3、开关角的拟合
从前面的描述中看到，SHEPWM开关角的计算需要求解超越方程组，无法 实时进行计算，因此本发明对离线计算出的开关角进行分段多项式拟合，从而可 以在程序中进行实时计算。
对于开关角度为1的情况，在保证基波幅值之后是不能继续进行谐波消除的。 但是仍然能够利用式4对其开关角度进行求解，其结果如式6所示。开关角度随 调制比的变化波形如图5(f)所示。
该公式可以进行实时在线计算，因此不需要进行拟合。
N＝7时的拟合
从图5e中可以看到，N＝7时的SHEPWM在两种开关角的分布之下最大调 制比都在0.91左右，因此在拟合时将0.91作为最大调制比。
开关角0-60°分布
开关角0-60°分布时整个调制比范围内分为三段进行拟合。
m≤0.55时，七个角度采用一次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m+Pi[2]；i＝1-7。
P1＝[-0.150108775099468，0.262445857923027]
P2＝[0.0550427923490816，0.262490072745264]
P3＝[-0.160846519390286，0.524835635882757]
P4＝[0.0941014880374148，0.524412752181808]
P5＝[-0.162010393293143，0.786627725076875]
P6＝[0.126388028856300，0.785627361087840]
P7＝[-0.150144786377213，1.04782930336933]
以计算α1为例，其计算公式为α1＝P1[1]*m+P1[2]；其中P1[1]表示上面 P1数组的第一个数据，P1[2]表示上面P1数组的第二个数据，m为调制比。
0.55<m≤0.86时，七个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-7。
P1＝[-0.182987924458754，0.31792189689173，-0.347563229133499，0.304582141739550]
P2＝[-0.66127513756975，1.17513971113637，-0.66860748466054，0.41401354041645]
P3＝[-0.62861590388721，1.11329982572155，-0.84988720497338，0.67015212042347]
P4＝[-1.4391727085807，2.66457270386744，-1.58308389865269，0.8794445832777]
P5＝[-1.3630715689014，2.5123105916645，-1.74315938779294，1.12181150804594]
P6＝[-1.5041037591448，2.90085997480460，-1.74689145340416，1.18896547969495]
P7＝[-1.5251963605363，2.9231858084363，-2.03485709775817，1.45372606117242]
以计算α1为例，其计算公式为α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]； 其中P1[x]表示上面P1数组的第x个数据，x＝1-4，m为调制比。
0.86<m≤0.91时，七个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-7。
P1＝[-61.46836930117，160.771058463566，-140.394182223623，41.0544386855550]
P2＝[-177.5773533663，464.343957456364，-404.917414023143，118.036732602572]
P3＝[-187.0217114475，489.175040377831，-426.89280144812，124.652934830654]
P4＝[-404.6703464452，1057.97495435017，-922.355569684466，268.713404539986]
P5＝[-389.5862392087，1018.62861982703，-888.388160341132，259.048177646338]
P6＝[-1250.910955452，3272.78853083557，-2854.63446808360，830.956160691127]
P7＝[-1217.487914816，3185.03965612830，-2778.13984032098，808.831075974327]
在上面的拟合公式下，整个调制比范围内的拟合角度误差如下图6所示。从 图中可以看到，拟合角度误差基本上在0.1°之内，完全满足实际需求。
开关角0-90°分布
开关角0-90°分布时整个调制比范围内也分为三段进行拟合。
m≤0.55时，七个角度采用一次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m+Pi[2]；i＝1-7。
P1＝[0.129420701925177，0.000376201728944968]
P2＝[0.0706943610751254，0.262214402495106]
P3＝[-0.151591061965665，0.524636054410870]
P4＝[0.101073455993646，0.524440180204409]
P5＝[-0.157464488701457，0.786514139305429]
P6＝[0.149118985725027，1.04666115529499]
P7＝[-0.128880187975142，1.30868881895893]
0.55<m≤0.86时，七个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-7。
P1＝[-0.0963593668257，0.16981278729983，0.022880684912707，0.02324698793559]
P2＝[-0.7902191564038，1.40667751850403，-0.7918730719100，0.441743850492576]
P3＝[-0.7438224122707，1.3276810983974，-0.972643494034，0.69707747511048]
P4＝[-1.517748408942，2.8062070107914，-1.66352758617441，0.897721569117914]
P5＝[-1.434588959022，2.6461824399206，-1.8216841356618，1.13890382443391]
P6＝[1.536995324235，-2.94603362910114，2.04747210642127，0.638115463024943]
P7＝[1.511614065427，-2.91100278877549，1.75001373502099，0.904177471064317]
0.86<m≤0.91时，七个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-7。
P1＝[-35.71340029414，93.5791628264172，-81.6429943294497，23.8247750755583]
P2＝[-197.6215341571，517.270872150453，-451.509789144747，131.721632696193]
P3＝[-264.7513652080，693.417193417521，-605.791169910269，176.895187508130]
P4＝[-454.0375268307，1187.49584336001，-1035.64277620032，301.750957711309]
P5＝[-429.9500371785，1124.51112584898，-980.983516470109，286.046232561582]
P6＝[1240.271847085，-3244.89943886573，2830.5604287777， -822.039086689691]
P7＝[1275.025038897，-3336.14847580745，2910.12758678783， -845.064076842470]
在上面的拟合公式下，整个调制比范围内的拟合角度误差如下图7所示。从 图7可以看到，拟合角度误差也基本上在0.1°之内。
N＝5时的拟合
N＝5时的最大调制比和N＝7时比较接近，因此在拟合时也按照最大调制比 0.91进行拟合。
开关角0-60°分布
开关角在0-60°范围分布时在整个调制比范围内分为三段分别拟合，以提高 拟合精度。
m≤0.5时采用一次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m+Pi[2]；i＝1-5。各个角度拟合 系数如下：
P1＝[-0.203223967047972，0.349896172817575]
P2＝[0.0957915964247976，0.349685184785687]
P3＝[-0.215246399809889，0.699481760220160]
P4＝[0.159096649917199，0.698336702843463]
P5＝[-0.201121791540761，1.04803768386291]
0.5<m≤0.85时，5个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5。
P1＝[-0.1971444900186，0.3113960503647，-0.38505160023927，0.38671951463175]
P2＝[-0.91744238788，1.54417338593292，-0.802601370024385，0.526811443249929]
P3＝[-0.8382928418313，1.39556622401308，-1.02965633953902，0.861195967497204]
P4＝[-1.5292605411912，2.76142687453581，-1.51393397915643，1.03624044238536]
P5＝[-1.5298933051378，2.73524098252053，-1.85602361751888，1.38278034197587]
0.85<m≤0.91时，5个角度采用三次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5。
P1＝[-56.6406599375，146.729531112452，-127.016289842108，36.8994953945886]
P2＝[-195.0319864782，504.900406011991，-435.986980951578，125.968921172967]
P3＝[-194.1289755952，502.741457727001，-434.578079141195，125.859323308160]
P4＝[-659.3474022195，1705.88839156415，-1471.69557032539，424.163096834833]
P5＝[-625.73871046576，1618.50917893349，-1396.35308527354，402.649929887481]
拟合角度误差如图8所示，最大拟合误差基本保持在0.1°左右，满足实际需 求。
开关角0-90°分布
开关角在0-90°范围分布时在整个调制比范围内分为三段分别拟合，以提高 拟合精度。
m≤0.5时所有开关角采用一次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m+Pi[2]；i＝1-5。各 个角度拟合系数如下：
P1＝[0.160986350699364，0.000477911231267912]
P2＝[0.122314438820365，0.349441088608085]
P3＝[-0.200963893290508，0.699115437444450]
P4＝[0.198207822186706，1.04660863621216]
P5＝[-0.167527096431119，1.39591178590610]
0.5<m≤0.85时，α1采用一次多项式拟合，其余角度采用三次多项式拟合。α1＝ P1[1]*m+P1[2]；αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5。
P1＝[0.147521150361121，0.00719638462876530]
P2＝[-0.9359431176983，1.57291490672111，-0.78864933198884，0.5281650208706]
P3＝[-0.88822793998789，1.49460507142650，-1.07332205491786，0.871703089736465]
P4＝[1.5190408793413，-2.7225383200212，1.8448650608522，0.713912257039747]
P5＝[1.516235180346，-2.73152624793829，1.48681669491476，1.06167509593307]
0.85<m≤0.91时，α1采用一次多项式拟合，其余角度采用三次多项式拟合。α1＝ P1[1]*m+P1[2]；αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5。
P1＝[0.112150888362375，0.0367943798086065]
P2＝[-214.9625407368，557.916383097648，-482.921621117586，139.822006953286]
P3＝[-279.49530143944，725.820040502992，-628.857286231748，182.262562965442]
P4＝[683.138978131654，-1768.23546331184，1526.51344279273， -438.270420431615]
P5＝[723.116829954948，-1872.24444503722，1616.33608143857， -463.989451536675]
拟合角度误差如图9所示，最大拟合误差基本保持在0.1°左右，满足实际需 求。
N＝3时的拟合
开关角0-60°分布
开关角在0-60°范围分布时其最大调制比大约为0.93，在整个调制比范围内 分为三段分别拟合，以提高拟合精度。
m≤0.73时α1采用2次多项式拟合α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m+P1[3]；其他 角度采用3次多项式拟合αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3，
P1＝[-0.0563946307885098，-0.287489313478793，0.522866775725874]
P2＝[-0.14127343128328，0.103935575650521，0.18360463597794，0.5243744087009]
P3＝[-0.1450981851382，0.0652874000683879，-0.30675209244015，1.0479617570592]
0.73<m≤0.89时，α1采用2次多项式拟合，α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m+P1[3]， 其他角度采用3次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]； i＝2-3。
P1＝[-0.649021550589073，0.594686484296535，0.192842655523809]
P2＝[-31.546813544938，72.4635690066245，-55.5013870146634，14.8313167331582]
P3＝[-29.336929467371，67.2741670237901，-51.9938704378686，14.3200307120448]
0.89<m≤0.93时所有角度采用3次多项式拟合。αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+ Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-3。
P1＝[-2018.47507248391，5458.72932894024，-4921.61123722575，1479.54563328307]
P2＝[-3263.28472233346，8777.65250689729，-7872.71670543112，2355.04733994510]
P3＝[-2179.69819815462，5847.61464278078，-5232.15329012361，1561.99091883912]
整个调制比范围内的拟合误差如图10所示。
开关角0-90°分布
开关角在0-90°范围分布时其最大调制比大约为0.91，拟合时按照0.91为最 大调制比进行拟合。
对于开关角α1，其值随着调制比的变化呈现出很高的线性度，因此可以在 0-0.91整个调制比范围内采用一次函数对其进行拟合，并保证最大误差不超过 0.1°。拟合系数如下：
P1＝[0.193709023776391，0.00174830305160642；]
对于另外两个角度的拟合在整个调制比范围内分为三段，每个区段内都采用 三次多项式进行拟合。
m≤0.7时拟合系数如下：
P2＝[0.092518531433278,-0.05063272333457,0.29851516748191,1.04679912818198]
P3＝[0.08862025644582,-0.052006721159408,-0.23994731175456,1.57039043051601]
0.7<m≤0.87时拟合系数如下：
P2＝[12.41476291686,-27.3077527342827,20.4533668090878, -3.93209450444358]
P3＝[12.4004298522274,-27.2842463654847,19.8955219300534, -3.40353994566359]
0.87<m≤0.91时拟合系数如下：
P2＝[1041.0122008989,-2737.46128926178,2401.06249894547, -701.080996855014]
P3＝[1040.6843490052,-2736.61969607121,2399.79283844879, -700.345920641297]
整个调制比范围内的拟合误差如图11所示。
N＝2时的拟合
开关角0-60°分布
开关角在0-60°范围分布时其最大调制比大约为0.95。拟合过程中对两个角 度分别进行拟合，其中α1分为四段，α2分为三段进行拟合。
m<0.11时
P1＝[81.9091384368862,-19.4831813533431,2.2970536151927,0.0181187153101916]
0.11<m≤0.7时
P1＝[0.06258616758329,-0.36256145224709, 0.704862474341357,0.07098203638419]
0.7<m≤0.9时
P1＝[-15.813986867217,34.942802017503,-25.5754135568511,6.61309954969325]
0.9<m≤0.95时
P1＝[-1469.10789377798,4005.96094145753,-3643.04734706467,1105.26372140584]
m<0.6时
P2＝[-0.0398268488164215,-0.461757953434433,1.04611545055839]
0.6<m≤0.88时
P2＝[-5.48994777539116,10.8369012222036,-7.71763648823403,2.66967980545356]
0.88<m≤0.95时
P2＝[-544.827372574296,1458.3381824085,-1303.14621536847,389.244459265130]
角度拟合误差曲线如图12所示，而对于开关角0-90°分布的情况，因为其 最大调制比小于0.8，在实际应用中十分受限，因此很少用到。整个调制比范围 内的拟合误差如图12所示。
实施例：
1、如图13所示是直驱永磁电机多模式调制策略，包括异步调制、SHEPWM 调制、单脉冲方波调制。
2、电机在异步调制阶段采用不规则采样模式，为了解决低开关频率下电流 采样的延时以及精度问题，采用在一个调制载波周期内双次电流采样和双次 PWM占空比更新的控制策略，在载波周期开始和周期时进行本周期的采样，同 时进行PWM的指令值更新，计算周期和PWM延时总时间0.75T，提高了系统 的动态响应能力。
3、如上述所示，11分频、7分频、5分频、3分频都采用SHEPWM调制模 式，11分频、7分频、5分频、3分频分别有5个、3个、2、1个开关角，下面 选择以11分频N＝5个开关角为例进行说明，其它7分频和5分频和3分频实现 过程与11分频一致。
4、选取开关角个数N＝5，对5个非线性方程联立进行求解，得到不同调制 比m下的各开关角值和对应的脉冲状态，当调制比比较小时，开关角的分布线 性度比较好，采用一次多项式就可以满足要求，调制比增大时多项式次数变为3 次，分段曲线拟合m值与角度的关系，保证拟合角度误差基本上在0.1°之内。 m≤0.55时，5个角度采用一次多项式拟合，以第一个角度为例，α1＝P1[1]*m+ P1[2]；0.55<m≤0.86和0.86<m≤0.91时，五个角度采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1] *m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5；存储m值和开关角的拟合函数以及 脉冲状态选取。
5、SHEPWM调制11分频有N＝5个开关角，SHE脉冲波形1/4周期对称。 如图14所示，选取周期中断为每10°进一次中断，则将相电压脉冲波形在一个 电网周期分成36份，对于5个开关角的情况，M在0.1到0.90范围内，每10° 区间最多只有一个开关角度，利用DSP实现时每隔10°发生一次波形中断，每次 中断时读取下一个分区的开关角度的值并计算出比较寄存器的值，同时判断起始 电平的高低，并赋值给响应的寄存器。
6、在SHEPWM调制模式中，必然要涉及不同调制模式之间的切换，不同载 波比进行切换时，最总要原则是保持切换相位连续，尽量减小电流冲击，当载波 比为11、7、3时，由于PWM波形在中间60°无开关角，在中间60°过渡在90°、 270°过渡是等效的，因此可以选择在这些区间时进行切换。
7、在SHEPWM在3分频调制模式下，且调制比m≥0.998时，此时电机端 电压饱和，系统从3分频切换到单脉冲方波模式。
8、选取PWM的中断周期为330Hz，DSP计数方式为增计数，对于5个开 关角，调制比m在0.1到0.90范围内，用CMPA的比较操作修改PWMA、PWMB 和PWMC的输出。
9、在PWM的周期中断中，判断是否需要修改脉冲状态，若需要则更新脉 冲状态值；
10、在PWM的周期中断中，根据m值和开关角关系曲线寻找下一个开关时 刻，并计算相应的比较值，在下一个开关时刻的前一个周期中断中更新比较寄存 器的值，在下一个开关时刻的那一周期中断中更新脉冲状态值。
11、在PWM的周期中断中，将控制中断中实际控制电机基波电压Uo1与给定 逆变输出最大电压2Ud/π信号相比较，输出调制比修改值m；
12、利用三相对称互差120°的特点，对于V相和W相给定相位平移120°和 240°得到V、W的比较值，更新PWMB和PWMC的输出，实现调制脉冲触发。
Claims (6)
1.一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于包括异步SPWM调制方法、同步SPWM调制方法、特定消谐SHEPWM调制方法和单脉冲调制方法；在电机低频段采用异步SPWM调制方法；随着电机转速的上升载波比逐渐减小时开始启用同步SPWM调制方法；当载波比低于11时启用特定消谐SHEPWM调制方法，从11分频过渡到7分频，7分频过渡到5分频，5分频过渡到3分频；当电机输入电压达到电机最大端电压时，最后由特定消谐SHEPWM调制方法过渡到单脉冲方波调制方法。
2.根据权利要求1所述的一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于11分频有5个开关角，其开关角计算过程如下：
若开关角在0-60°范围分布，调制比m≤0.5时5个开关角采用一次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m+Pi[2]，i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.203223967047972，0.349896172817575]；
P2＝[0.0957915964247976，0.349685184785687]；
P3＝[-0.215246399809889，0.699481760220160]；
P4＝[0.159096649917199，0.698336702843463]；
P5＝[-0.201121791540761，1.04803768386291]；
0.5<m≤0.85时，5个开关角采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.1971444900186，0.3113960503647，-0.38505160023927，0.38671951463175]
P2＝[-0.91744238788，1.54417338593292，-0.802601370024385，0.526811443249929]
P3＝[-0.8382928418313，1.39556622401308，-1.02965633953902，0.861195967497204]
P4＝[-1.5292605411912，2.76142687453581，-1.51393397915643，1.03624044238536]
P5＝[-1.5298933051378，2.73524098252053，-1.85602361751888，1.38278034197587]
0.85<m≤mmax时，5个开关角采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-5，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-56.6406599375，146.729531112452，-127.016289842108，36.8994953945886]
P2＝[-195.0319864782，504.900406011991，-435.986980951578，125.968921172967]
P3＝[-194.1289755952，502.741457727001，-434.578079141195，125.859323308160]
P4＝[-659.3474022195，1705.88839156415，-1471.69557032539，424.163096834833]
P5＝[-625.73871046576，1618.50917893349，-1396.35308527354，402.649929887481]；
若开关角在0-90°范围分布，m≤0.5时5个开关角采用一次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m+Pi[2]，i＝1-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[0.160986350699364，0.000477911231267912]
P2＝[0.122314438820365，0.349441088608085]
P3＝[-0.200963893290508，0.699115437444450]
P4＝[0.198207822186706，1.04660863621216]
P5＝[-0.167527096431119，1.39591178590610]
0.5<m≤0.85时，α1采用一次多项式拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]，其余角度采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5，各个角度拟合系数如下：
P1＝[0.147521150361121，0.00719638462876530]
P2＝[-0.9359431176983，1.57291490672111，-0.78864933198884，0.5281650208706]
P3＝[-0.88822793998789，1.49460507142650，-1.07332205491786，0.871703089736465]
P4＝[1.5190408793413，-2.7225383200212，1.8448650608522，0.713912257039747]
P5＝[1.516235180346，-2.73152624793829，1.48681669491476，1.06167509593307]
0.85<m≤mmax时，α1采用一次多项式拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]，其余角度采用三次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-5，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[0.112150888362375，0.0367943798086065]
P2＝[-214.9625407368，557.916383097648，-482.921621117586，139.822006953286]
P3＝[-279.49530143944，725.820040502992，-628.857286231748，182.262562965442]
P4＝[683.138978131654，-1768.23546331184，1526.51344279273，-438.270420431615]
P5＝[723.116829954948，-1872.24444503722，1616.33608143857，-463.989451536675]。
3.根据权利要求2所述的一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于7分频有3个开关角，其开关角计算过程如下：若开关角在0-60°范围内，当调制比m≤0.73时开关角α1采用2次多项式拟合，α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m+P1[3]；其他两个角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.0563946307885098，-0.287489313478793，0.522866775725874]
P2＝[-0.14127343128328，0.103935575650521，0.18360463597794，0.5243744087009]
P3＝[-0.1450981851382，0.0652874000683879，-0.30675209244015，1.0479617570592]
0.73<m≤0.89时，α1采用2次多项式拟合，α1＝P1[1]*m2+P1[2]*m+P1[3]；其他角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-0.649021550589073，0.594686484296535，0.192842655523809]
P2＝[-31.546813544938，72.4635690066245，-55.5013870146634，14.8313167331582]
P3＝[-29.336929467371，67.2741670237901，-51.9938704378686，14.3200307120448]
0.89<m≤mmax时所有角度采用3次多项式拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝1-3，mmax为最大调制比，各个角度拟合系数如下：
P1＝[-2018.47507248391，5458.72932894024，-4921.61123722575，1479.54563328307]
P2＝[-3263.28472233346，8777.65250689729，-7872.71670543112，2355.04733994510]
P3＝[-2179.69819815462，5847.61464278078，-5232.15329012361，1561.99091883912]；
若开关角在0-90°范围内，对于开关角α1在0-mmax整个调制比范围内采用一次函数对其进行拟合，α1＝P1[1]*m+P1[2]，拟合系数如下：
P1＝[0.193709023776391，0.00174830305160642]；对于另外两个角度的拟合在整个调制比范围内分为三段，每个区段内都采用三次多项式进行拟合，αi＝Pi[1]*m3+Pi[2]*m2+Pi[3]*m+Pi[4]；i＝2-3
m≤0.7时拟合系数如下：
P2＝[0.092518531433278，-0.05063272333457，0.29851516748191，1.04679912818198]
P3＝[0.08862025644582，-0.052006721159408，-0.23994731175456，1.57039043051601]
0.7<m≤0.87时拟合系数如下：
P2＝[12.41476291686，-27.3077527342827，20.4533668090878，-3.93209450444358；]
P3＝[12.4004298522274，-27.2842463654847，19.8955219300534，-3.40353994566359]
0.87<m≤mmax时拟合系数如下：
P2＝[1041.0122008989，-2737.46128926178，2401.06249894547，-701.080996855014]
P3＝[1040.6843490052，-2736.61969607121，2399.79283844879，-700.345920641297]。
4.根据权利要求3所述的一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于5分频有2个开关角，其开关角计算过程如下：若开关角在0-60°范围内，拟合过程中对两个角度分别进行拟合，其中α1分为四段，α2分为三段进行拟合；
m<0.11时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[81.9091384368862，-19.4831813533431，2.2970536151927，0.0181187153101916]
0.11<m≤0.7时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[0.06258616758329，-0.36256145224709，0.704862474341357，0.07098203638419]
0.7<m≤0.9时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[-15.813986867217，34.942802017503，-25.5754135568511，6.61309954969325]
0.9<m≤mmax时α1＝P1[1]*m3+P1[2]*m2+P1[3]*m+P1[4]，
P1＝[-1469.10789377798，4005.96094145753，-3643.04734706467，1105.26372140584]
m<0.6时α2＝P2[1]*m2+P2[2]*m+P2[3]，
P2＝[-0.0398268488164215，-0.461757953434433，1.04611545055839]
0.6<m≤0.88时α2＝P2[1]*m3+P2[2]*m2+P2[3]*m+P2[4]，
P2＝[-5.48994777539116，10.8369012222036，-7.71763648823403，2.66967980545356]
0.88<m≤mmax时α2＝P2[1]*m3+P2[2]*m2+P2[3]*m+P2[4]，
P2＝[-544.827372574296，1458.3381824085，-1303.14621536847，389.244459265130]。
5.根据权利要求4所述的一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于3分频有1个开关角，其开关角计算过程如下：
6.根据权利要求2或3或4或5所述的一种永磁直驱电力机车变流器中高压模块器件多模式调制方法，其特征在于在非方波模式下，采用最大转矩电流比双PI电流环分别控制交直轴电流，同时控制电压矢量的幅值和角度，从而达到控制电机转矩的目的，当进入方波模式后，电机电压矢量的幅值是固定的，直流电压的利用率达到最大，此时由于电压幅值不可控，此时电压相位可以改变，此时无法兼顾对转矩闭环和励磁闭环的控制，在方波情况下，将PI控制器切除，控制模式从最大转矩电流比过渡到永磁高速弱磁控制，此时只通过控制转矩分量来计算电压矢量，系统处于单电流环控制，系统可以实现SHEPWM模式和方波模式间平滑切换。
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