CN111262489B - 基于pwm相位偏移的电机非对称svpwm重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种算法容易实现，控制效果相对较好，使用空间矢量调制方式驱动电机时，仅使用直流母线电流采集的方式时，能够在非观测区域有效重构三相电流的电机相电流检测方法。该方法针对PWM载波周期内非零基本空间矢量施加时间过短而无法进行精确电流采样的矢量，在保持本PWM载波周期内矢量大小和方向不变的情况下，通过PWM相位偏移的方式增大前端采样时间来使得前端采样时间满足电压采样最小窗口时间来重构SVPWM波形。本发明通过PWM相位偏移的方式进行非对称调制，将非观测区域转变为可观测区域，同时构造算法周期，降低电压纹波产生，避免电压矢量作用失真。

Description

基于PWM相位偏移的电机非对称SVPWM重构方法

技术领域

本发明涉及电机空间矢量调制(SVPWM)相电流重构技术领域，具体来说，涉及一种基于直流母线电流(1-SHUNT采样)采集方法的非对称矢量合成SVPWM重构方法。

背景技术

在永磁同步电机控制系统中，对电机三相电流检测是进行电流反馈调节的一个重要环节。 在有传感器的相电流检测方法当中，常用的是使用电流互感器等电流传感器来进行相电流检 测，即在电机三相连接处设置三个或者至少两个电流传感器，根据运算得到电机的d-q轴电 流，并以此作为电流反馈。常用的电流传感器不易安装，且价格昂贵，为降低成本，亟需一 种无传感器技术来进行电流反馈。在对采集精度要求不太高且对成本敏感的应用中，通过直流母线电流采样来进行电机相电流的采集方法被提出来。

通过直流母线电流采样来检测电机相电流，即为常说的单电阻采样(1-SHUNT采样)技 术。图1即为此种技术的结构原理图，采样电阻Z串联于三个下桥臂连接处X点和直流电源 负端之间，根据母线电流和对开关管开关状态的分析，即可使用单一电阻采样达到还原三相 电流的目的。因此这种方法被称为单电阻采样。

对于单电阻采样技术，若要正确采集直流母线电流，采样时间必须大于一个最小窗口时 间TMIN，此时间约等于电压稳定时间TS和采样稳定时间TH的和，即TMIN＝TS+TH。当使用SVPWM的方式驱动时，在产生基本空间矢量的区间和低速区间，会出现PWM载波周 期内某一基本空间矢量作用时间少于TMIN的情况，此时需要对SVPWM波形进行重构，使基本空间矢量的作用时间达到TMIN。

SVPWM调制时，出现任一基本空间矢量作用时间少于TMIN的区域被称为非观测区域， 而在PWM载波周期内的所有基本空间矢量作用时间都大于等于TMIN的区域被称为可观测 区域。通常为了避免非观测区域有插入零矢量法，非对称PWM重构法，对称PWM重构法等。插入零矢量法即在非观测区域的PWM波形中插入用于观测的零矢量，在零矢量时进行电流采集；非对称重构法即在非观测区域采用非对称PWM调制，将基本空间矢量的作用时间拉长至大于TMIN，再通过矢量分解补偿至正确大小和方向；对称PWM重构即在非观测 区域交替施加观测区域的两种对称PWM波，以达到合成非观测区空间矢量的目的。

现有的插入零矢量法，由于在正常的波形中插入了零矢量，会使得电压矢量产生较大失 真，电流谐波增加较多等问题；而非对称和对称PWM波调制同样有类似的问题。

申请号为201110331123.X的专利《基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法》中， 通过将处于某一非观测区的非零矢量分解为相邻两个非零基本矢量的方法，由于需要在切换 向量时同时切换两相开关管状态(如合成V1时需要V2(110)和V6(101)两种非零基本矢 量)，会引起较大谐波。申请号为201010039771.3的专利《基于直流母线电流的电动机相电 流检测方法》中，由于不能在一个PWM周期中直接重构获得处于非观测区的空间矢量，需 要一个较长的算法周期，因此不利于精确采样。

发明内容

本发明的目的是提出一种算法较简单、通用型较强、控制效果相对较好，可在传统非观 测区域内持续进行电压采集的空间矢量调制方法，以此解决目前的重构方法存在的缺陷。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种电动机相电流重构方法，电动机采用空间矢量脉宽调制方式进行驱动，采样电阻串 联于三相桥臂下端连接处X点和直流电源负端之间。根据所处非观测区域不同，将非观测区 域分为两个区域。第一非观测区域为基本空间矢量非观测区域不重叠区域，第二非观测区域为基本空间矢量非观测区域重叠区域。当待重构矢量处于第一非观测区域时，通过偏移 SVPWM相位，将待重构矢量中作用时间小于最小作用时间TMIN的基本空间矢量延长，并 添加其他基本空间矢量进行补偿，使重构后的基本空间矢量的和矢量与重构前的空间矢量相 等；当待重构矢量处于第二非观测区域时，由于待重构矢量的两个基本空间矢量的作用时间 均小于最小作用时间TMIN，因此需要通过偏移SVPWM相位，将这两个基本空间矢量的持续时间延长，并在同一个载波PWM周期内对空间矢量进行补偿，以达到重构后的空间矢量 的和矢量与重构前的空间矢量相等。

本发明中的所有调制矢量均采用PWM波前端采样的方式重构电机相电流。

所述第一非观测区域中的调制方法是将不满足最小作用时间TMIN的基本空间矢量延长 TMIN时间，并在其后补偿与目标所在非观测区域相邻的基本空间矢量。所述第二非观测区 域中的调制方法是将产生两个不满足TMIN的基本空间矢量的SVPWM波各延长TMIN和 2*TMIN时间，使得每一基本空间矢量的作用时间均大于TMIN。

本发明中，为了降低电压谐波干扰，对非观测区域中的空间矢量进行重构在一个算法周 期中只进行一次，一个算法周期可以是PWM载波周期的整数倍，一般为1-10倍。在同一个算法周期中的其他PWM载波周期内算法重构不进行，维持传统SVPWM调制算法，以降低谐波干扰。为1倍时，每个PWM周期为一个算法周期，即每个PWM周期均进行重构。

本发明采用非对称PWM方式进行调制，保证了在传统非观测区域内的一个PWM调制周期内至少有两个不同的非零基本空间矢量连续作用时间均大于或者等于最小作用时间TMIN，从而消除了传统SVPWM调制的非观测区，实现了电机三相电流在非观测区域中的 稳定采集。

附图说明

图1为现有单电阻采样三相驱动电路的结构原理图。

图2为六个基本空间矢量的示意图

图3为前端采样示意图

图4为非观测区域示意图

图5-a为不重叠非观测区域(第一非观测区域)示意图

图5-b为重叠非观测区域(第二非观测区域)示意图

图6为不做处理(可观测区域)示意图

图7为第一非观测区域空间矢量组合方式

图8为第二非观测区域空间矢量组合方式

图9a为一个算法周期内，当空间矢量接近第一扇区内第二非观测区域时的传统SVPWM 载波调制方式

图9b为一个算法周期内，当空间矢量接近第一扇区内第二非观测区域时的本发明重构 SVPWM载波调制方式

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具 体图示，进一步阐述本发明。

通过直流母线电流采集来进行电机相电流重构是一种成熟的技术，也被称为单电阻采样。 主要目的是降低由于电流传感器检测相电流技术带来的高成本及高安装难度。在精度要求不 高且成本敏感的应用环境下，使用单电阻采样是一种被广泛接受的方式。与同样广泛采用的三电阻采样方式(3-SHUNT)相比，不用考虑电流流向问题，也可以少使用两个电阻降低成 本。

首先说明空间矢量调制技术——SVPWM。如图2所示，空间矢量调制通过将电压矢量 投影到空间矢量坐标系中，完成空间矢量和电压矢量的映射。空间矢量被分为六个扇区，每 个扇区的交界分别为六种非零基本空间矢量(以下简称基本空间矢量)。任意一个扇区的空间 矢量，都可以由任意个基本空间矢量组合而成，通常由扇区相邻的两个基本空间矢量组成。 这样，六个扇区的任一个空间矢量均可以通过对基本空间矢量的大小、方向进行调制来合成 得到。

由图1可以得知，三相驱动电路由三组开关管(IGBT)控制，每一个基本空间矢量都对 应三组开关的某一种开合状态，基本空间矢量是通过分别控制三组开关的开合来产生的。通 过控制三组开关管，即可合成任意大小和方向的基本空间矢量，通过对所合成的基本空间矢 量进行组合，即可合成任意方向的空间矢量，并以此驱动电机。

图2中所示六种基本空间向量是由图1中的三组开关管合成，每组开关管用一个数字表 示，“1”代表开上管、关下管，“0”代表开下管、关上管。由图2所知，基本空间矢量对应三组开关管状态如下表：

基本空间矢量	开关管状态
		V1	100
V2	110
		V3	010
V4	011
		V5	001
V6	101

若要通过单电阻采集到的电压推导出三相电流，就需要用在不同时刻采集到的电压计算。 以SVPWM调制处于第一扇区为例，此时两种基本空间矢量V1、V2交替产生，当产生V1 矢量时，开关管状态为100，即在图1中A相上管开、下管关闭，B、C两相上管关、下管打开，此时流经采样电阻Z的电流为A相电流；当产生V2矢量时，开关管状态为110，即在 图1中A、B相上管开、下管关闭，C相上管关、下管打开，此时流经采样电阻Z的电流为 C相电流。由于电机定子线圈为感性，短时间内定子电流不能突变，因此可用基尔霍夫电流定律推导出B相电流，由此重构得到三相电流。

传统的SVPWM调制方式是由三角波和比较寄存器比较得到的对称波形，如图3所示， AD采集可以在三角波的上升阶段进行，也可以在三角波的下降阶段进行，在两个阶段进行 采样分别被称为前端采样和后端采样，本发明采用前端采样的方式。为了能够采样到稳定的 电压，再采样点之前需要有一个电压稳定时间TS，在采样点之后需要有一个电压保持时间 TH，因此在前端采样时，必须要保持基本空间矢量的作用持续时间超过一个最小值TMIN＝TS+TH。否则采样到的数据会有较大误差。

传统的SVPWM调制方式在合成接近基本空间矢量的范围和矢量长度较小的范围内的矢 量时会出现合成矢量的基本空间矢量施加时间小于TMIN的情况，这个范围就是非观测区域，如图4。处于非观测区的合成矢量需要经过特殊的方式进行合成，以保证进行前端采样时的 基本空间矢量施加时间大于TMIN。

根据非观测区的空间矢量重构算法不同，把非观测区分为两个部分，如图5-a，第一扇区 被分为了A、B、C、D四个区域，阴影部分的B、C区域即为第一非观测区域；如图5-b，第一扇区被分为了A、B、C、D四个区域，阴影部分的A区域即为第二非观测区域。

本发明要解决的问题，就是在非观测区域也能够使用单电阻采样来还原三相电流，并依 据三相电流来进行电机速度和位置估算等。本发明的做法是当调制矢量处于非观测区域时， 采用非对称矢量合成的方式进行调制，以扇区I为例说明。

参见图6，对于可观测区域来说，使用传统的SVPWM波形调制算法即可，不需要进行重构，为了合成电流矢量V0，分别施加两次V1方向矢量和两次V2方向的矢量，施加大小 分别为V1’和V2’。四次基本矢量合成了目标电流矢量V0，达到产生V0矢量的效果。

参见图7，对于第一非观测区域来说，如果使用传统的SVPWM算法，虽然前端采样所在位置的V1’基本空间矢量的施加时间大于TMIN，但是由于另一前端采样守在位置的V2’基本空间矢量的施加时间小于TMIN，因此无法对其准确采样需要对其进行重构。通过偏移SVPWM相位，将V2’的施加时间延长一个不小于TMIN的时间，即使V2”的施加时间 TV2”＝TV2’+Ttyp，Ttyp≥TMIN，由于TV2”＞TMIN，因此可以在TV2”的施加时间内进行 比较准确的采样。根据两次前端采样的结果，可以推导出三相电流的大小。

参见图8，对于第二非观测区域来说，如果使用传统的SVPWM算法，两次前端采样所处时间段内时间的基本空间矢量施加时间均小于TMIN，因此这两次前端采样均不能获得准确的结果，需要对其进行重构。通过偏移SVPWM相位，将V1’的施加时间延长一个不小于TMIN的时间，即使V1”的施加时间TV1”＝TV1’+Ttpy，Ttyp≥TMIN，由于TV1”＞TMIN，因此可以再V1”的施加时间内进行比较准确的采样；同理，通过偏移SVPWM相位，将V2’ 的施加时间延长至TV2”＝TV2’+2Ttpy，TV2”＞TMIN，。因此在两次前端采样时均可以得到 比较准确的采样结果，根据两次前端采样的数据可以推导出三相电流的大小。

参见图9-a和图9-b，这两张图是处于第一扇区第二非观测区域的传统算法和基于本发明 的重构算法PWM载波示意图。为了避免于由于每个周期都进行矢量重构带来的电流纹波增 加、计算量加大等问题，可以不在每个周期都进行空间矢量重构。可以构造一个算法周期， 此周期为PWM载波周期的整数倍，一般可以是3-10倍，可根据情况，在低速时适当增加算 法周期长度，再高速时适当减少算法周期长度。从图9-a中可以看出，没有重构的一个传统 算法中，周期内最左侧的一个PWM周期中的电压前端采样区域持续时间过短，无法进行精确采样，而图9-b中改进后的重构算法载波图形中，一个算法周期内的第一个PWM载波周 期的波形已经被重构了，根据上述解释，重构后的那一个PWM周期内空间矢量的大小与方 向和重构之前的矢量是一致的，因此除了进行重构的基本矢量外，同一算法周期的其他PWM 载波周期不需要进行其他处理。本实施例中，仅仅是以算法周期为PWM载波周期5倍进行 示例性说明，并非对本发明的限制。

对于空间矢量调制时，其他扇区的非观测区域，只需要根据情况，分别对扇区内非观测 区第一非观测区域和第二非观测区域进行重构即可，由于处理的基本方法是相似的，因此就 不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原 理，在波脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于PWM相位偏移的电机非对称SVPWM重构方法，在三相逆变开关电路中，采样电阻Z串联于三个下桥臂连接处X点和直流电源负端之间；

当空间矢量调制进入非观测区中，PWM周期内存在非零基本空间矢量作用时间过短而不满足电压采样最小窗口时间时，在保持本PWM载波周期内矢量大小和方向不变的情况下，通过增大前端采样时间来使得前端采样时间满足电压采样最小窗口时间来重构SVPWM波形，再采用单电阻采样的方式重构PWM载波周期的电机相电流；

在生成空间矢量驱动波形时，对原始SVPWM波形进行相位偏移，将原始SVPWM波形的三相中占空比较小的一相或两相的波形相位向后偏移，以使前端采样时间增大至满足电压采样最小窗口时间，采用PWM载波前端时刻采样的方式进行电机相电流重构；

当待重构矢量处于第一非观测区域时，通过偏移SVPWM相位，将待重构矢量中作用时间小于最小作用时间TMIN的基本空间矢量延长，并添加其他基本空间矢量进行补偿，使重构后的基本空间矢量的和矢量与重构前的空间矢量相等；

当待重构矢量处于第二非观测区域时，由于待重构矢量的两个基本空间矢量的作用时间均小于最小作用时间TMIN，因此需要通过偏移SVPWM相位，将这两个基本空间矢量的持续时间延长，并在同一个载波PWM周期内对空间矢量进行补偿，以达到重构后的空间矢量的和矢量与重构前的空间矢量相等；

构造一个算法周期，此周期为PWM载波周期的整数倍，根据情况，在低速时适当增加算法周期长度，在高速时适当减少算法周期长度。

2.如权利要求1所述的基于PWM相位偏移的电机非对称SVPWM重构方法，其特征在于：构建控制算法周期为PWM载波周期的整数倍，倍数为1-10倍，1倍即为每个PWM周期均为一个算法周期，即每个PWM周期均进行重构。

3.如权利要求2所述的基于PWM相位偏移的电机非对称SVPWM重构方法，其特征在于：除去同一控制算法周期内经过相位偏移重构的PWM载波周期，同一控制算法周期内的其他PWM周期不进行重构，其算法与可观测区的矢量调制方式相同。