CN111555681A - 非零插补单传感器脉冲宽度调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，执行磁链定向控制，给定输入电压矢量转换成三相占空比信号，判断输入电压矢量是否在可观测区域内；如果在可观测区域内，生成非零插补PWM；如果不在可观测区域内，则采用开环FOC方式更新下一步输入电压矢量并转换成三相占空比信号；非零插补调制生成PWM波形后，根据所生成PWM波形确定采样时刻，在PWM波形中两个不同非零矢量的转换时刻，对母线上的电流进行采样，完成相电流重构后经克勒克和派克变换返回参数值完成电流反馈，执行闭环FOC，更新下一控制周期的三相占空比信号。本发明扩展了电流可观测区域，结构简单，稳定性好。

Description

非零插补单传感器脉冲宽度调制方法

技术领域

本申请涉及一种脉冲宽度调制方法，具体涉及一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法。

背景技术

现代交流电机的驱动多采用三相全桥逆变拓扑结构，在此种驱动方式下，母线电流蕴含了各相绕组电流的信息，通过对母线电流的采集进行相电流的重构便是建立在此基础上的。母线电流采样必须在两个不同的非零基本电压矢量转换时才能获得电流信息。理想情况下，电流的采样可以瞬间完成，即相应的基本电压矢量作用很短的时间就可采集到对应的相电流信息。但在实际电路系统中，存在着诸多非理想因素，这导致在某些情况下无法完成相电流的重构。

因此，若要在重构区内完成电流采样，就必须满足电压矢量最小作用时间的要求，此时需要对电压矢量进行优化，现有改进措施主要有以下三种：1.基于脉冲移位法的相电流重构。当某一基本电压矢量开关状态维持时间不足时，该方法通过在一个PWM周期内平移脉冲使其相互错开至足够的时间，来完成电流重构。2.基于脉冲插入法的相电流重构。该方法是在传统空间矢量脉宽调制技术的相邻开关周期之间插入一个脉冲序列，在每个脉冲作用的时间段内对母线电流进行采样，以准确地得到绕组的相电流。3.基于新型调制技术的相电流重构。该技术主要有两种，三态脉宽调制技术和混合脉宽调制技术。

由上述可知现有三种主要的优化电压空间矢量方法，基于脉冲移位法的相电流重构方法生成重构后的PWM波形在一个开关周期内将不再对称，会导致电流谐波含量的增加进而增大电机的转矩波动，且重构后的波形仍可能存在无法采样区域；脉冲插入法会因为矢量脉冲的插入，使得实际电流波形高频噪声明显增加，母线上出现反电流；新型调制技术在控制性能上不如传统调制方式，且调制后PWM波形仍存在不可观测区域。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本申请提出一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法。

本发明的技术方案为：一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，其特征在于，执行磁链定向控制(FOC)，给定输入电压矢量

转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc，判断输入电压矢量是否在可观测区域内；如果在可观测区域内，生成非零插补PWM；如果不在可观测区域内，则采用开环FOC方式更新下一步输入电压矢量

并转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc；

非零插补调制生成PWM波形后，根据所生成PWM波形确定采样时刻，在PWM波形中两个不同非零矢量的转换时刻，对母线上的电流进行采样，完成相电流重构后经克勒克和派克变换返回参数值完成电流反馈，执行闭环FOC，更新下一控制周期的三相占空比信号Ta、Tb、Tc。

进一步的，所述生成非零插补PWM具体为：None Zero PWM(NZPWM)在每个扇区有4个空间矢量工作，当V_ref处于扇区1时，参考电压矢量V_ref由V₁、V₂和方向相反的V₃、V₆共同合成，V_ref在αβ平面矢量分解；

根据伏-秒平衡原理，NZPWM的各空间矢量满足：

V_ref(cosθ+jsinθ)T_s＝V₃T₃+V₂T₂+V₁T₁+V₆T₆ (2)

式中θ为V_ref的旋转角；T_s为PWM周期；T_k为矢量T_k的作用时间(k＝1，2，3，6)；令T₆＝ω就可以在NZPWM的矢量作用时间表达式中引入参数ω，得到NZPWM_ω各矢量的作用时间表达式，如式(3)所示；

式中，T_S＝T₁+T₂+T₃+T₆，M为调制比，其范围为0～0.906；V_ref为参考电压矢量的幅值；当θ位于扇区2～6时，将实际的θ值减去π/3的整数倍，使θ-(i-1)π/3位于扇区1内，i为扇区编号。

进一步的，在1扇区V_I作用时间T₁中，在一个周期内，可观测电压空间矢量V₁的作用时间T₁需满足T₁＜2T_min，得到：

上式表示在V_ref位置、T_min和T_s参数确定时，给定ω值将确定非零插补调制方式的可观测区域。

进一步的，所述判断输入电压矢量是否在可观测区域内具体为：每扇区电压矢量作用的时间Ts，取各扇区电压矢量作用时间的最小值得方程：

由上式可得，当V_ref属于不同扇区时，有与之对应的电压矢量作用时间f_i(i＝1，2，3，4)；设集合

且i≠j，使得

G(t_a，t_b，t_c)＝min{f_i，f_j}，当G(t_a，t_b，t_c)＞T_min时，即可测量该电压空间矢量作用的时间，完成相电流重构。

本发明的设计带来了如下有益的技术效果：

一、相较于传统SVPWM调制方法，该发明通过利用NZPWM调制方法实现非零插补单传感器脉冲宽度调制，主要有以下显著效果：1.电压矢量构成的六边形区域内电流重构盲区减小，在引用一对相反方向电压空间矢量代替零电压矢量实现非零插补脉冲宽度调制后，当V_ref出现在各扇区边界时，通过增加插入的相反电压矢量作用时间来增大电流采样时刻，相较于传统PWM调制方法，避免了因电压矢量作用时间小于最小采样时间而出现相电流重构失效的情况；2.该发明生成的PWM波形中，因为插入相反电压空间矢量，将不再存在零电压矢量U0(000)和U7(111)，相较于传统PWM调制方式，扩展了电流可观测区域，不可观测区域面积大大减小。

二、相较于现代脉冲插入法、脉冲移位法、新型调制技术等调制方法，该发明在重构PWM波形后，不会出现非对称现象，电流谐波无明显增长，对电机的转矩波动影响较小，噪声低，母线电流无反相现象，稳定性好。

三、易于实现。该发明实现用单电流传感器实现相电流重构，避免因三个电流传感器采样不一致所带来的传感器误差，相较于其它方法，结构简单，可操作性强，性能提升。

附图说明

图1非零插补单传感器脉冲宽度调制方法流程图；

图2针对交流电机的FOC非零插补脉冲宽度调制方法控制系统配置图；

图3扇区Ⅰ中参考电压矢量合成图；

图4V_ref在αβ平面矢量分解图；

图5非零插补调制方式可观测区域及各扇区PWM波形；

图6非零插补调制方式各扇区非典型性波形。

具体实施例

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明首先给出一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法的流程图，如图1所示，该过程主要包括非零插补PWM波的生成、可观测区域和采样时刻的判定等模块，以下将详述该过程的实现步骤。

图2为针对交流电机的FOC非零插补脉冲宽度调制方法控制系统配置图。由图可知，给定输入电压矢量

转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc，所发明的非零插补单传感器脉冲宽度调制方法根据公式(6)判断输入电压矢量是否在可观测区域内。如果在可观测区域内，则根据所列方法生成非零插补PWM；如果不在可观测区域内，则采用开环FOC方式更新下一步输入电压矢量

并转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc。

非零插补调制生成PWM波形后，根据所生成PWM波形确定采样时刻，在PWM波形中两个不同非零矢量的转换时刻，对母线上的电流进行采样，完成相电流重构后经克勒克和派克变换返回参数值完成电流反馈，执行闭环FOC，更新下一控制周期的三相占空比信号Ta、Tb、Tc。

None Zero PWM(下简述为NZPWM)在每个扇区有4个空间矢量工作。当V_ref处于扇区1时，参考电压矢量V_ref由V₁、V₂和方向相反的V₃、V₆共同合成。V_ref在αβ平面的矢量分解如图3所示。

根据伏-秒平衡原理，NZPWM的各空间矢量满足：

V_ref(cosθ+jsinθ)T_s＝V₃T₃+V₂T₂+V₁T₁+V₆T₆ (2)

式中θ为V_ref的旋转角；T_s为PWM周期；T_k为矢量T_k的作用时间(k＝1，2，3，6)。令T₆＝ω就可以在NZPWM的矢量作用时间表达式中引入参数ω，得到NZPWM_ω各矢量的作用时间表达式，如式(3)所示。

式中，T_S＝T₁+T₂+T₃+T₆，M为调制比，其范围为0～0.906；V_ref为参考电压矢量的幅值。当θ位于扇区2～6时，将实际的θ值减去π/3的整数倍，使θ-(i-1)π/3位于扇区1内，i为扇区编号。

引入参数ω后，NZPWM_ω策略可以直接根据ω的值确定各矢量的作用时间，简单高效。其次，其它空间矢量控制策略的矢量作用时间表达式能够统一在公式(2)下，这不仅实现了不同调制策略的归一化，还可以根据具体性能需求对参数进行寻优，矢量作用时间的分配方式也灵活多样。

综上分析，利用空间矢量法，得到NZPWM调制功率开关工作序列如表1所示。

表1 NZPWM各扇区开关切换顺序

在传统7段式SVPWM调制方式中，各扇区功率开关器件开关切换顺序中必将引入零电压矢量U0(000)和U7(111)，而在零电压矢量作用时，母线电流为零，这将导致电流传感器无法正常进行采样。所以传统PWM调制波形中，每扇区存在的零电压矢量会使在一个周期Ts内采样时间减少，对相电流重构不利。

由NZPWM原理分析可知，在引入非零插补调制方式后，PWM波形中将不再存在零电压矢量，这将增大采样时刻。现以1扇区V_I作用时间T₁为例，分析非零插补调制方式下，电流采样区域的变化。从(2)式中可得

又因为在一个周期内，可观测电压空间矢量V₁的作用时间T₁需满足T₁＜2T_min，于是得：

上式表示在V_ref位置、T_min和T_s参数确定时，给定ω值将确定非零插补调制方式的可观测区域。结合表1中各扇区开关顺序和式(4)可得非零插补调制方式下可观测区域及每扇区对应PWM波形。可知，采用非零插补调制方式后，电压矢量构成的六边形区域内电流重构盲区中扇区边界不可观测区域已经消失。

综上可知，采用非零插补调制方式后，母线电流采样时间和电流可观测区域优于传统SVPWM调制方法。

图6给出了采用NZPWM非零插补调制方式下，各扇区的非典型性波形。

由此分析可得每扇区电压矢量作用的时间T_s，取各扇区电压矢量作用时间的最小值得方程：

由上述方程可得，当V_ref属于不同扇区时，有与之对应的电压矢量作用时间f_i(i＝1，2，3，4)。设集合

且i≠j，使得G(t_a，t_b，t_c)＝min{f_i，f_j}，当G(t_a，t_b，t_c)＞T_min时，即可测量该电压空间矢量作用的时间，完成相电流重构。

Claims (4)

1.一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，其特征在于，执行磁链定向控制(FOC)，给定输入电压矢量

转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc，判断输入电压矢量是否在可观测区域内；如果在可观测区域内，生成非零插补PWM；如果不在可观测区域内，则采用开环FOC方式更新下一步输入电压矢量

并转换成三相占空比信号Ta、Tb、Tc；

非零插补调制生成PWM波形后，根据所生成PWM波形确定采样时刻，在PWM波形中两个不同非零矢量的转换时刻，对母线上的电流进行采样，完成相电流重构后经克勒克和派克变换返回参数值完成电流反馈，执行闭环FOC，更新下一控制周期的三相占空比信号Ta、Tb、Tc。

2.根据权利要求1所述的一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述生成非零插补PWM具体为：

None Zero PWM(NZPWM)在每个扇区有4个空间矢量工作，当V_ref处于扇区1时，参考电压矢量V_ref由V₁、V₂和方向相反的V₃、V₆共同合成，V_ref在αβ平面矢量分解；

根据伏-秒平衡原理，NZPWM的各空间矢量满足：

V_ref(cosθ+jsinθ)T_s＝V₃T₃+V₂T₂+V₁T₁+V₆T₆ (2)

式中θ为V_ref的旋转角；T_s为PWM周期；T_k为矢量T_k的作用时间(k＝1，2，3，6)；令T₆＝ω就可以在NZPWM的矢量作用时间表达式中引入参数ω，得到NZPWM_ω各矢量的作用时间表达式，如式(3)所示；

式中，T_S＝T₁+T₂+T₃+T₆，M为调制比，其范围为0～0.906；V_ref为参考电压矢量的幅值；当θ位于扇区2～6时，将实际的θ值减去π/3的整数倍，使θ-(i-1)π/3位于扇区1内，i为扇区编号。

3.根据权利要求2所述的一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，其特征在于，

在1扇区V_I作用时间T₁中，在一个周期内，可观测电压空间矢量V₁的作用时间T₁需满足T₁＜2T_min，得到：

上式表示在V_ref位置、T_min和T_s参数确定时，给定ω值将确定非零插补调制方式的可观测区域。

4.根据权利要求1所述的一种非零插补单传感器脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述判断输入电压矢量是否在可观测区域内具体为：每扇区电压矢量作用的时间Ts，取各扇区电压矢量作用时间的最小值得方程：

由上式可得，当V_ref属于不同扇区时，有与之对应的电压矢量作用时间f_i(i＝1，2，3，4)；设集合

且i≠j，使得G(t_a：t_b，t_c)＝min{f_i，f_j}，当G(t_a，t_b，t_c)＞T_min时，即可测量该电压空间矢量作用的时间，完成相电流重构。

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