CN112994505B - 一种变流器及其svpwm的调制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种SVPWM的调制方法，应用于DSP中，包括：确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；将周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；基于各相比较寄存器的数值进行SVPWM调制。应用本申请的方案，有效地实现了SVPWM的变频调制，并且硬件成本低。本申请还提供了一种变流器及其SVPWM的调制系统，具有相应技术效果。

Description

一种变流器及其SVPWM的调制系统和方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种变流器及其SVPWM的调制系统和方法。
背景技术
PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）的调制大多采用的是固定频率的调制模式，采用变频调制的模式较少。目前的一种变频调制方案，是通过改变三角波的载波周期，产生周期和幅值都随设定的载波周期变化的变频变幅载波，这样的方案的主要局限在于需要生成三角载波，通常是应用在SPWM（Sinusoidal PWM，正弦脉冲宽度调制）中，SPWM调制是一种依赖于调制波与三角载波比较而产生开关信号的调制方式，因此，如果没有三角载波则无法实现变频调制。特别是随着技术的发展，SVPWM（Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量脉宽调制）得到了越来越广泛的应用，SVPWM具有能明显减小谐波成分，电压利用率高，数字化实现方便等优点。SVPWM采用的是有效矢量和零矢量合成的方式，因此没有明显的三角载波概念。
综上所述，如何有效地实现SVPWM的变频调制，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种变流器及其SVPWM的调制系统和方法，以有效地实现SVPWM的变频调制。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种SVPWM的调制方法，应用于DSP中，包括：
确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；
进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，所述周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；
将所述周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的所述占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；
基于各相所述比较寄存器的数值进行SVPWM调制。
优选的，所述确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据所述调制比确定出载波比；
当所述载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
当所述载波比未发生变化时，将当前的所述参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量。
优选的，所述基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
将所述补偿电压与当前的所述参考空间电压矢量叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
优选的，所述基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
等待参考空间电压矢量达到目标切换相位时，将达到目标切换相位的参考空间电压与所述补偿电压叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
优选的，所述根据所述调制比确定出载波比，包括：
按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比；k为正整数；
在计算出当前的调制比之后，按照当前的所述调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
优选的，所述周期寄存器的计数值的更新频率是调制频率的至少2倍。
一种SVPWM的调制系统，应用于DSP中，包括：
占空比计算单元，用于确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；
周期寄存器更新单元，用于进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，所述周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；
比较寄存器更新单元，用于将所述周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的所述占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；
SVPWM调制单元，用于基于各相所述比较寄存器的数值进行SVPWM调制。
优选的，所述占空比计算单元，具体用于：
计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据所述调制比确定出载波比；
当所述载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
当所述载波比未发生变化时，将当前的所述参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量；
根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。
优选的，所述占空比计算单元根据所述调制比确定出载波比，具体用于：
所述占空比计算单元按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比；
在计算出当前的调制比之后，按照当前的所述调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
一种变流器，包括上述任一项所述的SVPWM的调制系统。
应用本发明实施例所提供的技术方案，可以实现SVPWM的调制切换和变频调制。具体的，在确定出当前的期望空间电压矢量之后，可以根据当前的期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。本申请会进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，也就是说，如果因为调制切换或者变频调制，使得调制频率发生了改变，那么周期寄存器的计数值便会更新，周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值。而将周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的占空比，便可以分别得到当前的各相比较寄存器的数值，从而基于各相比较寄存器的数值进行SVPWM调制。并且，本申请通过一个DSP就可以实现SVPWM的调制，使得本申请的方案硬件成本低，便于方案的实施。综上所述，本申请有效地实现了SVPWM的变频调制，并且硬件成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种SVPWM的调制方法的实施流程图；
图2为本发明中一种SVPWM的调制系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种SVPWM的调制方法有效地实现了SVPWM的变频调制，并且硬件成本。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明中一种SVPWM的调制方法的实施流程图，该SVPWM的调制方法可以应用于DSP中，包括：
步骤S101：确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。
具体的，采用SVPWM调制的设备，通常可以由电力电子控制器自动生成参考空间电压矢量，可以将当前的参考空间电压矢量直接作为当前所需要的期望空间电压矢量，进而根据当前的期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比，即，将当前的期望空间电压矢量分解为有效矢量和零矢量的组合，从而确定出对应于当前的期望空间电压矢量的当前的控制周期下的各相的占空比，即确定出当前的控制周期下的A，B，C三相的上桥臂开关管的各自的占空比。
进一步地，在本发明的一种具体实施方式中，考虑到如果载波比发生变化时，可能产生冲击电流，因此，不是直接将计算出的参考空间电压矢量作为所需要的期望空间电压矢量，而是会在载波比发生变化时进行补偿。在本发明的一种具体实施方式中，步骤S101中描述的确定出当前的期望空间电压矢量，可以具体包括以下步骤：
步骤一：计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据调制比确定出载波比；
步骤二：当载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
步骤三：当载波比未发生变化时，将当前的参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量。
参考空间电压矢量具有幅值和相位，将参考空间电压矢量的幅值与直流母线电压的比值称为调制比，将SVPWM的脉冲频率与参考空间电压矢量的基波频率的比值称为载波比。在实际应用中，调制比可以进行在线计算，并且根据调制比进行载波比的选择。需要说明的是，针对调制比的范围，可以预先将该范围进行划分，使得划分之后的每一个区间分别具有相对应的载波比。
例如一种具体场合中，调制比的范围为0至1.1，可以根据实际需要划分为多个区间，例如调制比为0至0.2时，对应的载波比可以选择30，调制比大于0.2小于0.5时，对应的载波比可以选择20。并且可以理解的是，具体的数值对应关系，可以根据实际需要以及经验进行设定和调整，以实现优越的性能。
在本发明的一种具体实施方式中，步骤一中描述的根据调制比确定出载波比，可以具体包括以下两个步骤：
第一个步骤：按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比，k为正整数；
第二个步骤：在计算出当前的调制比之后，按照当前的调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
具体的，k为正整数，通常而言不小于2。在实际应用中，可以在离线情况下，即预先确定出不同载波比下的VTHD（Voltage Total Harmonic Distortion，电压总谐波失真），然后依据VTHD最小的原则，离线将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比。从而使得后续运行的过程中，在计算出当前的调制比之后，可以按照此前确定下的对应规则，即基于计算出的当前的调制比所处于的区间，选择对应的载波比。
该种实施方式中，由于是基于VTHD最小原则，将调制比范围分成k个区间并配置每个区间对应的载波比，有利于本申请的方案在整个调制比范围内实现VTHD最优。
此外需要说明的是，在其他具体场合中，根据调制比确定出载波比，还可以有其他的具体实现方式。例如一种场合中，除了基于VTHD最小原则之外，还会进一步地考虑不同的载波比所允许的调制比范围，例如调制比为0至0.3时，选择载波比为30，可以使得满足VTHD最小原则，但是，载波比为30时，允许的调制比仅为0至0.2，因此，仅将调制比为0至0.2时对应选择的载波比设置为30，0.2至0.3则需要选取为其他数值的载波比。
执行步骤一之后，可以确定出载波比，之后便可以执行步骤二或者步骤三。当载波比未发生变化时，说明无需进行补偿，因此，可以直接将当前的参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量。
而如前文的描述，当载波比发生变化时，可能产生冲击电流，因此，本申请会进行补偿。具体的，本申请是基于电压积分波形连续的原则，计算出补偿电压，可以理解的是，计算出的补偿电压是一个具有幅值和相位的矢量。计算出的补偿电压之后，便可以基于补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量。
在基于补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量时，一种较为简单的实施方式是直接叠加，即具体为：将补偿电压与当前的参考空间电压矢量叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
进一步的，在本发明的一种具体实施方式中，基于补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，可以具体包括：
等待参考空间电压矢量达到目标切换相位时，将达到目标切换相位的参考空间电压与补偿电压叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
该种实施方式中，不是直接将补偿电压与当前的参考空间电压矢量叠加，而是等待参考空间电压矢量达到目标切换相位时，再进行当前所需的补偿电压的计算，并且将达到目标切换相位的参考空间电压与计算出的补偿电压叠加，可以使得所需要的补偿电压最小，有利于节约能耗。可以理解的是，目标切换相位的具体数值可以基于参考空间电压矢量进行计算，需要达到使得所需要的补偿电压最小的目的。
步骤S102：进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值。
具体的，可以由DSP中的SVPWM模块实现步骤S102的操作。本申请支持进行调制频率的更新，调制频率与控制频率之间的对应关系可以预先进行设定，通常是一个简单的比例关系。
调制切换通常是指载波比发生了一定的变化，调制切换和调制变频这两种情况下，调制频率都会发生变化，但是调制变频时，载波比通常是不变的。
在实际应用中，可以按照预设的第一周期进行调制频率的更新，并且，基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值。通常，可以在每次进行了调制频率的更新时，进行一次周期寄存器的计数值的更新。
在本发明的一种具体实施方式中，为了保障能够及时地将调制频率的切换进行反映，周期寄存器的计数值的更新频率是调制频率的至少2倍。当然，周期寄存器的计数值的更新频率越高，硬件成本也就越高。在实际应用中发现，设置周期寄存器的计数值的更新频率是调制频率的2倍，通常就能够保障及时地更新周期寄存器的计数值。
周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值，也就是说，周期寄存器的计数值决定了控制周期。在实际应用中，通常可以基于当前的调制频率以及计数器的晶振频率，对周期寄存器的计数值进行更新。例如一种具体场合中，进行了调制频率的更新之后，可以计算出对应于当前的调制频率的控制频率，例如计算出的当前的控制频率为1000Hz，进而按照当前的控制频率，确定出需要写入至周期寄存器的计数值。该例子中，计算出的当前的控制频率为1000Hz，例如计数器的晶振频率为1000000Hz，则周期寄存器的计数值（1/1000）÷（1/1000000）=1000，也就是说，周期寄存器的计数值从1达到1000时，或者从0达到999时，是当前的单个控制周期。计数器和周期寄存器均位于DSP当中，计数器可以选取为连续增计数，例如可以具体为连续增计数的锯齿波模式。
步骤S103：将周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值。
由于周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值，因此，将周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的占空比，得到的各相的数值，分别表示的就是该相在当前的单个控制周期下的导通时长所对应的计数器计数值。可以将得到的各相的数值分别存储在DSP中的各相的比较寄存器中。
步骤S104：基于各相比较寄存器的数值进行SVPWM调制。
DSP得到了各相比较寄存器的数值之后，便可以确定出当前的单个控制周期下的各相的导通时长，因此，基于各相比较寄存器的数值便可以进行SVPWM调制。
应用本发明实施例所提供的技术方案，可以实现SVPWM的调制切换和变频调制。具体的，在确定出当前的期望空间电压矢量之后，可以根据当前的期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。本申请会进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，也就是说，如果因为调制切换或者变频调制，使得调制频率发生了改变，那么周期寄存器的计数值便会更新，周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值。而将周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的占空比，便可以分别得到当前的各相比较寄存器的数值，从而基于各相比较寄存器的数值进行SVPWM调制。并且，本申请通过一个DSP就可以实现SVPWM的调制，使得本申请的方案硬件成本低，便于方案的实施。综上所述，本申请有效地实现了SVPWM的变频调制，并且硬件成本低。
相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种SVPWM调制的切换系统，可与上文相互对应参照。
参见图2所示，为本发明中一种SVPWM的调制系统的结构示意图，应用于DSP中，包括：
占空比计算单元201，用于确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；
周期寄存器更新单元202，用于进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，所述周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；
比较寄存器更新单元203，用于将所述周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的所述占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；
SVPWM调制单元204，用于基于各相所述比较寄存器的数值进行SVPWM调制。
在本发明的一种具体实施方式中，所述占空比计算单元201，具体用于：
计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据所述调制比确定出载波比；
当所述载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
当所述载波比未发生变化时，将当前的所述参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量。
根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。
在本发明的一种具体实施方式中，所述占空比计算单元201根据所述调制比确定出载波比，具体用于：
所述占空比计算单元201按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比；
在计算出当前的调制比之后，按照当前的所述调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
在本发明的一种具体实施方式中，所述占空比计算单元201基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，具体包括：
所述占空比计算单元201将所述补偿电压与当前的所述参考空间电压矢量叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
在本发明的一种具体实施方式中，所述占空比计算单元201基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，具体包括：
所述占空比计算单元201等待参考空间电压矢量达到目标切换相位时，将达到目标切换相位的参考空间电压与所述补偿电压叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
在本发明的一种具体实施方式中，所述周期寄存器的计数值的更新频率是调制频率的至少2倍。
相应于上面的方法和系统实施例，本发明实施例还提供了一种变流器，可以包括上述任一实施例中的所述SVPWM的调制系统，可与上文相互对应参照。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SVPWM的调制方法，其特征在于，应用于DSP中，包括：
确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；
进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，所述周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；
将所述周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的所述占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；
基于各相所述比较寄存器的数值进行SVPWM调制；
其中，所述进行调制频率的更新包括：按照预设的周期进行调制频率的更新。
2.根据权利要求1所述的SVPWM的调制方法，其特征在于，所述确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据所述调制比确定出载波比；
当所述载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
当所述载波比未发生变化时，将当前的所述参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量。
3.根据权利要求2所述的SVPWM的调制方法，其特征在于，所述基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
将所述补偿电压与当前的所述参考空间电压矢量叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
4.根据权利要求2所述的SVPWM的调制方法，其特征在于，所述基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量，包括：
等待参考空间电压矢量达到目标切换相位时，将达到目标切换相位的参考空间电压与所述补偿电压叠加，将叠加后的结果作为当前的期望空间电压矢量。
5.根据权利要求2至4任一项所述的SVPWM的调制方法，其特征在于，所述根据所述调制比确定出载波比，包括：
按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比；k为正整数；
在计算出当前的调制比之后，按照当前的所述调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
6.根据权利要求1所述的SVPWM的调制方法，其特征在于，所述周期寄存器的计数值的更新频率是调制频率的至少2倍。
7.一种SVPWM的调制系统，其特征在于，应用于DSP中，包括：
占空比计算单元，用于确定出当前的期望空间电压矢量，并根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比；
周期寄存器更新单元，用于进行调制频率的更新，并基于当前的调制频率更新周期寄存器的计数值，其中，所述周期寄存器的计数值表示的是对应于当前的调制频率下的单个控制周期的计数器的计数值；
比较寄存器更新单元，用于将所述周期寄存器的计数值分别乘以当前的各相的所述占空比，分别得到当前的各相比较寄存器的数值；
SVPWM调制单元，用于基于各相所述比较寄存器的数值进行SVPWM调制；
其中，所述进行调制频率的更新包括：按照预设的周期进行调制频率的更新。
8.根据权利要求7所述的SVPWM的调制系统，其特征在于，所述占空比计算单元，具体用于：
计算出当前的参考空间电压矢量以及调制比，并根据所述调制比确定出载波比；
当所述载波比发生变化时，基于电压积分波形连续的原则计算出补偿电压，并基于所述补偿电压确定出当前的期望空间电压矢量；
当所述载波比未发生变化时，将当前的所述参考空间电压矢量作为当前的期望空间电压矢量；
根据当前的所述期望空间电压矢量确定出当前的控制周期下的各相的占空比。
9.根据权利要求7或8所述的SVPWM的调制系统，其特征在于，所述占空比计算单元根据所述调制比确定出载波比，具体用于：
所述占空比计算单元按照VTHD最小的原则，预先将调制比范围分成k个区间，且每个区间具有该区间对应的载波比；
在计算出当前的调制比之后，按照当前的所述调制比所处于的区间，确定出对应的载波比。
10.一种变流器，其特征在于，包括如权利要求7至9任一项所述的SVPWM的调制系统。
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