CN112865584B - 空间矢量脉宽调制系统 - Google Patents

Abstract

一种空间矢量脉宽调制系统，包括：依次相连的模式判断模块、零矢量分配系数模块和空间矢量脉宽调制模块，其中：模式判断模块根据阈值判断零矢量分配系数的生成模式并传输至零矢量分配系数模块，零矢量分配系数模块根据生成模式生成零矢量分配系数并传输至空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块根据分配系数和静止两相坐标系下的指令电压获得三相桥臂的占空比信号。本发明通过预设的伪随机数列查找表改变零矢量分配系数，从而在载波频率保持不变的前提下改变逆变器的开关频率特性，改善噪音特性，且通过对伪随机数序列的调整获取期望的开关频率和噪音频谱分散特性；根据电流控制误差进行模式判断可以进行模式切换，保证逆变器输出的稳定性。

Description

空间矢量脉宽调制系统

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子领域的技术，具体是一种空间矢量脉宽调制系统。

背景技术

电压源型逆变器广泛用于电机驱动、电力传输等工业中，三相电压源型逆变器电机驱动系统通常通过脉冲宽度调制产生高频驱动信号驱动六个功率半导体器件，生成输出电压驱动负载运行。由于逆变器处于高开关频率工作状态时，功率半导体器件会产生显著的开关损耗，影响系统的传输效率，因而降低逆变器的开关频率有助于提高系统的传输效率，但伴随逆变器开关频率的下降，由开关动作产生的电磁噪音频谱向低频段靠拢，乃至进入人耳可以明显感受的范围，使用户的体验降低。

现有的空间矢量脉宽调制装置采用的逆变器在载波频率恒定时具有固定开关频率，导致低开关频率时系统噪声品质恶化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种空间矢量脉宽调制系统，可以在载波频率恒定时，使得逆变器的开关频率分散，从而改善噪音的频谱特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次相连的模式判断模块、零矢量分配系数模块和空间矢量脉宽调制模块，其中：模式判断模块根据设定阈值判断零矢量分配系数的生成模式并传输至零矢量分配系数模块，零矢量分配系数模块根据生成模式生成零矢量分配系数并传输至空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块根据分配系数和静止两相坐标系下的指令电压获得三相桥臂的占空比信号。

所述的模式判断模块包括：依次相连的绝对值单元、低通滤波单元和阈值比较单元，其中：绝对值单元分别将d轴和q轴的误差求绝对值，再各自经低通滤波单元处理，处理后的数值传输至阈值比较单元进行生成模式判断。

所述的生成模式判断包括以下任意一种方式实现：包括：第一种是将d轴和q轴的误差绝对值分别与预先设定的阈值进行比较，当任一误差绝对值超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式；第二种是将d轴和q轴的误差绝对值求和后与预先设定的阈值进行比较，当二者之和超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式；第三种是将d轴和q轴的误差绝对值求解均方根值，再与预先设定的阈值进行比较，当均方根值超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式。

所述的零矢量分配系数模块生成零矢量分配系数的过程：当输入的生成模式为常值模式时，输出预设的常数作为零矢量分配系数；当输入的生成模式为序列模式时，根据递增的索引指数查找预先设定的数组中的系数作为零矢量分配系数，当索引指数达到数组长度后，重置索引指数，再从数组的头部重新输出序列。

所述的三相桥臂的占空比信号，通过以下步骤得到：：

1)由输入的两个指令电压对应到扇区，再根据所在扇区计算两个有效电压矢量的占空比，以及零矢量的总占空比；

2)根据零矢量分配系数，计算两个零矢量的占空比；

3)根据所在扇区、有效电压矢量的占空比和零矢量的占空比，得到三相桥臂的占空比信号。

技术效果

与现有技术相比，本发明运用较简单的算法改进逆变器的开关噪音特性。通过预设的伪随机数列查找表改变零矢量分配系数，从而在载波频率保持不变的前提下改变逆变器的开关频率特性，改善噪音特性，且可通过对伪随机数序列的定制选取获取期望的开关频率和噪音频谱分散特性；根据电流控制误差进行模式判断可以在固定开关频率和随机开关频率工作模式之间切换，保证逆变器输出控制的稳定性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为本发明空间矢量脉宽调制系统示意图；

图3为模式判断原理示意图；

图4为零矢量分配系数计算流程图；

图5为空间矢量和扇区示意图；

图6为常值模式输出三相桥臂占空比波形图；

图7为常值模式a相驱动电压波形图；

图8为常值模式相电压总谐波失真分析结果；

图9为序列模式输出三相桥臂占空比波形图；

图10为序列模式a相驱动电压波形图；

图11为序列模式相电压总谐波失真分析结果；

图中：模式判断模块101、零矢量分配系数模块102、空间矢量脉宽调制模块103、第一绝对值单元201、第二绝对值单元202、第一低通滤波单元203、第二低通滤波单元204、阈值比较单元205、电流指令生成模块301、电流控制模块302、电压变换模块303、电流变换模块304、空间矢量脉宽调制系统305、载波比较模块306、逆变器307、电机308、位置检测模块309。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及一种包含空间矢量脉宽调制系统的三相电机驱动系统，该三相电机驱动系统包括：电流指令生成模块301、电流控制模块302、电压变换模块303、电流变换模块304、空间矢量脉宽调制系统305、载波比较模块306、逆变器307、电机308和位置检测模块309。

所述的电流指令生成模块301产生d轴和q轴电流指令

和

并传输至电流控制模块302，电流指令生成模块301可以通过电机308转速反馈控制生成d轴和q轴的电流指令，也可以通过指令转矩T^*计算得到d轴和q轴的电流指令。

所述的电流控制模块302接收电流指令生成模块301输入的d轴和q轴的电流指令和电流变换模块304输入的d轴和q轴电流采样值并输出d轴和q轴电压指令

和

再传输至电压变换模块303，并输出d轴和q轴电流控制误差Δi_d和Δi_q传输至空间矢量脉宽调制系统305。

所述的电流控制模块302优选采用比例积分控制，即计算d轴和q轴电流控制误差后，再经比例积分运算得到d轴和q轴的电压。

所述的电压变换模块303接收电流控制模块302传输的d轴q轴电压指令

和

经过坐标变换后生成静止两相坐标系下的电压指令

和

并传输至空间矢量脉宽调制系统305。

所述的电流变换模块304接收电机308三相线上采集到的三相电流i_a、i_b和i_c，经过坐标变换后生成d轴和q轴电流采样值传输至电流控制模块302。

如图2所示，所述的空间矢量脉宽调制系统305包括：依次相连的模式判断模块101、零矢量分配系数模块102和空间矢量脉宽调制模块103，其中：模式判断模块101将电流控制模块302输出的d轴和q轴的电流控制误差Δi_d和Δi_q进行计算处理，并根据阈值判断将决定的零矢量分配系数的生成模式传输至零矢量分配系数模块102，零矢量分配系数模块102根据输入的生成模式生成零矢量分配系数并传输至空间矢量脉宽调制模块103，空间矢量脉宽调制模块103根据零矢量分配系数和静止两相坐标系下的指令电压计算获得三相桥臂的占空比信号。

所述的模式判断模块101包括：第一绝对值单元201、第二绝对值单元202、第一低通滤波单元203、第二低通滤波单元204和阈值比较单元205，其中：第一绝对值单元201和第二绝对值单元202分别将d轴和q轴的电流控制误差Δi_d和Δi_q求绝对值得|Δi_{d_LPF}|和|Δi_{q_LPF}|，再各自经第一低通滤波单元203和第二低通滤波单元204处理，处理后的数值传输至阈值比较单元205进行生成模式判断。

优选地，第一低通滤波单元203、第二低通滤波单元204采用自适应滤波，其低通滤波截止频率跟随电机308的转速动态线性变化，即转速下降时，截止频率下降，转速升高时，截止频率随之升高。

如图3所示，所述的生成模式判断是将|Δi_{d_LPF}|和|Δi_{q_LPF}|分别与预先设定的阈值进行比较，本实施例中阈值为0.02A，当任一误差值超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式，当采用常值模式时，输出标志位Flag为0，当采用序列模式时，输出标志位Flag为1。

如图4所示，所述的零矢量分配系数模块102生成零矢量分配系数的过程：当输入的生成模式为常值模式时，即Flag＝0时，输出预设的常数C₀作为零矢量分配系数，本实施例的预设常数C₀＝0.5，即k_c＝C₀＝0.5；当输入的生成模式为序列模式时，即Flag＝1时，根据递增的索引指数j查找预先设定的数组中的系数作为零矢量分配系数，即k_c＝C_j，当索引指数j达到数组长度N后，重置索引指数j，再从数组的头部重新输出序列，本实施例中预先设定的数组为[0.5，1，0，0，1，0.5，0.5，1，0.5，0]，数组长度N＝10。按此数组输出的序列进行零矢量分配时，逆变器307运行于连续脉宽调制模式和不连续脉宽调制模式来回切换的模式，其等效开关频率为动态变化值且小于零矢量分配系数为固定值的常值模式。

如图5所示，所述的三相桥臂的占空比信号的获得过程：由输入的两个指令电压

和

判断所在扇区，再根据所在扇区计算两个有效电压矢量的占空比T_x和T_y，当所在扇区为第1扇区时，两个有效电压矢量为U₄和U₆，当所在扇区为第2扇区时，两个有效电压矢量为U₆和U₂，依次类推。计算零矢量的总占空比，结合零矢量分配系数k_c，得到零矢量U₀和U₇的占空比，如图5所示；将有效电压矢量的占空比T_x和T_y、零矢量的占空比T₀和T₇结合，得到三相桥臂的占空比信号T_a、T_b和T_c并传输至载波比较模块306。

所述的计算零矢量的总占空比的公式为：T_c＝1-T_x-T_y，其中：T_c为电压矢量的总占空比，T_x和T_y分别为两个有效电压矢量的占空比。

所述的U₀和U₇矢量的占空比满足T₀＝T_c·k_c和T₇＝T_c·(1-k_c)，其中：T₀和T₇分别为U₀和U₇矢量的占空比，k_c为零矢量分配系数。

所述的载波比较模块306接收空间矢量脉宽调制系统305输出的三相桥臂占空比信号T_a、T_b和T_c，将占空比信号与载波信号比较后，输出六路桥臂驱动信号并发送至逆变器307；所述的逆变器307接收载波比较模块306发出的六路桥臂驱动信号，生成驱动电压，驱动电机308运行；所述的电机308接收逆变器307输出的驱动电压，产生转矩带动负载运行；所述的位置检测模块309检测电机308的转子位置信息，发送至电压变换模块303和电流变换模块304。

所述的位置检测模块309可以由旋转变压器或光电编码器等物理检测装置构成，也可以是位置估算观测器等软件单元。

本实施例中，逆变器307母线电压为310V，载波频率为10kHz，基波频率为100Hz，系统工作于常值模式和序列模式的波形和分析结果如图6至图11所示。图6至图8所示分别为本实施例采用常值模式进行零矢量分配时的三相桥臂占空比信号、α相驱动电压和驱动电压的总谐波失真分析结果；图9至图11所示为本实施例中采用序列模式进行零矢量分配时的三相桥臂占空比信号、α相驱动电压和驱动电压的总谐波失真分析结果。从结果可以看出，系统工作于无优化的常值模式时，逆变器三相桥臂的占空比为周期信号(如图6)，逆变器输出电压在开关频率阶次有显著的谐波分布(如图8)；系统工作于序列模式时，由于零矢量分配系数模块对零矢量的伪随机分配动态改变了逆变器的开关频率，逆变器三相桥臂的占空比具有伪随机性质(如图9)，逆变器输出电压中开关频率阶次谐波的幅值峰值显著下降，最高从65％下降至22％(如图11)，从而可以改善开关噪声的品质，同时判断模块确保逆变器开关频率下降时系统的控制精度在所设定范围内。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种空间矢量脉宽调制系统，其特征在于，包括：依次相连的模式判断模块、零矢量分配系数模块和空间矢量脉宽调制模块，其中：模式判断模块根据设定阈值判断零矢量分配系数的生成模式并传输至零矢量分配系数模块，零矢量分配系数模块根据生成模式生成零矢量分配系数并传输至空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块根据零矢量分配系数和静止两相坐标系下的指令电压获得三相桥臂的占空比信号并输出至载波比较模块；

所述的载波比较模块将占空比信号与载波信号比较后，输出六路桥臂驱动信号并发送至逆变器；逆变器接收载波比较模块发出的六路桥臂驱动信号，生成驱动电压驱动电机运行；电机接收逆变器输出的驱动电压产生转矩带动负载运行；位置检测模块检测电机的转子位置信息发送至电压变换模块和电流变换模块；

所述的模式判断模块包括：依次相连的绝对值单元、低通滤波单元和阈值比较单元，其中：绝对值单元分别将d轴和q轴的电流控制误差求绝对值，再各自经低通滤波单元处理，处理后的数值传输至阈值比较单元进行生成模式判断。

2.根据权利要求1所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的模式判断模块包括：第一绝对值单元、第二绝对值单元、第一低通滤波单元、第二低通滤波单元和阈值比较单元，其中：第一绝对值单元和第二绝对值单元分别将d轴和q轴的电流控制误差Δi_d和Δi_q求绝对值得|Δi_{d_LPF}|和|Δi_{q_LPF}|，再各自经第一低通滤波单元和第二低通滤波单元处理，处理后的数值传输至阈值比较单元进行生成模式判断。

3.根据权利要求2所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的第一低通滤波单元、第二低通滤波单元采用自适应滤波，其低通滤波截止频率跟随电机的转速动态线性变化，即转速下降时，截止频率下降，转速升高时，截止频率随之升高。

4.根据权利要求1～3中任一所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的生成模式判断包括以下任意一种方式实现：

①将d轴和q轴的误差绝对值分别与预先设定的阈值进行比较，当任一误差绝对值超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式；

②将d轴和q轴的误差绝对值求和后与预先设定的阈值进行比较，当二者之和超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式；

③将d轴和q轴的误差绝对值求解均方根值，再与预先设定的阈值进行比较，当均方根值超过阈值，则采用常值模式，反之则采用序列模式。

5.根据权利要求4所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的零矢量分配系数模块生成零矢量分配系数的过程：当输入的生成模式为常值模式时，输出预设的常数作为零矢量分配系数；当输入的生成模式为序列模式时，根据递增的索引指数查找预先设定的数组中的系数作为零矢量分配系数，当索引指数达到数组长度后，重置索引指数，再从数组的头部重新输出序列。

6.根据权利要求5所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的三相桥臂的占空比信号，通过以下步骤得到：

1)由输入的两个指令电压对应到扇区，再根据所在扇区计算两个有效电压矢量的占空比以及零矢量的总占空比；

2)根据零矢量分配系数，计算步骤1)得到的两个零矢量的占空比；

3)根据所在扇区、有效电压矢量的占空比和零矢量的占空比，得到三相桥臂的占空比信号。

7.根据权利要求5所述的空间矢量脉宽调制系统，其特征是，所述的三相桥臂的占空比信号的获得过程：由输入的两个指令电压

和

判断所在扇区，再根据所在扇区计算两个有效电压矢量的占空比T_x和T_y；

计算零矢量的总占空比，结合零矢量分配系数k_c，得到零矢量U₀和U₇的占空比，将有效电压矢量的占空比T_x和T_y、零矢量的占空比T₀和T₇结合，得到三相桥臂的占空比信号T_a、T_b和T_c并传输至载波比较模块；

所述的计算零矢量的总占空比的公式为：T_c＝1-T_x-T_y，其中：T_c为电压矢量的总占空比，T_x和T_y分别为两个有效电压矢量的占空比；

所述的U₀和U₇矢量的占空比满足T₀＝T_c·k_c和T₇＝T_c·(1-k_c)，其中：T₀和T₇分别为U₀和U₇矢量的占空比，k_c为零矢量分配系数。

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