CN113364323A - 一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，包括：信号采集步骤：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；压频补偿步骤：根据衰减电压及预设参考电压和预设功率器件开关频率平均值进行联合调整，输出采样频率，根据采样频率对预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；比较步骤：对衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据混入随机噪声的参考电压和衰减延迟电压进行比较，输出参考电压和衰减延迟电压的差值；二阶积分步骤：对参考电压和衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；量化步骤：对积分电压信号进行零值比较，对积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，实现基于脉冲密度的调制方法。

Description

一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及辅助变流器电压调制领域，特别涉及一种基于脉冲密度辅助变流器控制系统及其控制方法。
背景技术
目前，列车辅助变流器将高压直流电能转换成三相交流电能，供给车辆交流负载使用。常规辅助变流器采用脉冲宽度调制(PWM)方法，图1为现有技术脉冲宽度调制方法示意图，如图1所示。以固定频率三角波作为载波，直流或正弦波作为调制波，两者进行比较，得到等高不等宽且基频固定的脉冲信号，以此用来驱动功率器件。再经过低通滤波器进行解调，得到理想的三相交流电压。
但是经过PWM调制得到的脉冲信号，除了含有直流成分外，还含有大量以固定周期为基频的谐波成分，该谐波分量与输入信号进行混频，从而使调制器输出的有效信号中含有大量的谐波成分和交调成分，引起强烈的电磁干扰(EMI)。EMI会经过传导和辐射两种方式进行传播，不仅会给电网注入高频谐波，而且在对外输出时将自身的高频谐波引入到车辆用电设备中，影响用电设备的性能。因此PWM调制是一种高噪声的调制方式。
因此，当前如何解决一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其控制方法的技术问题，同时该控制系统及其控制方法具有良好的噪声抑制，且能够降低对输入电网和用电设备的电磁干扰，提高列车运行稳定性，依然存在巨大的困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出的一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其控制方法。该系统及其方法具有良好的噪声抑制，且能够降低对输入电网和用电设备的电磁干扰，提高列车运行稳定性。
本申请一些实施例中，提供一种基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，包括：
信号采集步骤：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；
压频补偿步骤：根据衰减电压、预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据采样频率对预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较步骤：对衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据参考电压和衰减延迟电压进行比较，输出参考电压和衰减延迟电压的差值；
二阶积分步骤：对参考电压和衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化步骤：对积分电压信号进行零值比较，对积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，以实现电压基于脉冲密度的调制。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
随机噪声发生步骤：接收预设参考电压，通过随机方式增加预设参考电压输出频率的随机度。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
单稳态触发步骤：接收预设参考电压及采样频率，输出参考电压。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
驱动隔离步骤：对输出电压的脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
本发明一些实施例中还提供一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，应用于如上所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，包括：
信号采集模块：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；
压频补偿模块：连接于信号采集模块，根据衰减电压、预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据采样频率对预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较器：连接于信号采集模块和压频补偿模块，对衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据参考电压和衰减延迟电压进行比较，输出参考电压和衰减延迟电压的差值；
二阶积分器：连接于比较模块，对参考电压和衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化器：连接于二阶积分模块和信号采集模块，对积分电压信号进行零值比较，对积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，以实现电压基于脉冲密度的调制。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，还包括：
随机噪声发生器：连接比较模块，接收预设参考电压，通过随机方式增加预设参考电压输出频率的随机度。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，还包括：
单稳态触发器：连接比较模块及压频补偿模块，接收预设参考电压及采样频率，输出参考电压。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，还包括：
驱动隔离模块：连接量化模块及信号采集模块，用于对输出脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
作为优选，上述信号采集模块在辅助变流器的功率器件桥臂中点进行输出电压采集。
本发明的突出技术效果和优点在于：
1)本发明采用的PDM脉冲密度调制方法的辅助变流器，相比常规的PWM调制方法，降低系统峰值EMI，降低对输入电网和用电设备的电磁干扰，提高列车运行稳定性。
2)本发明提出的PDM控制环节的反馈信号取自功率器件桥臂中点，可以抑制功率器件导通压降和死区时间引起的误差，提高输出波形质量。
附图说明
图1为现有技术脉冲宽度调制方法示意图；
图2为本发明脉冲密度调制方法示意图；
图3为本发明辅助变流器结构示意图；
图4为本发明控制方法流程示意图；
图5为本发明实施例控制系统示意图；
图6为本发明又一实施例控制系统示意图；
图7为本发明PDM调制系统结构示意图；
图8为PDM调制器的数学分析模型；
图9为PDM调制器输出信号对输入信号伯德图；
图10为PDM调制器输出信号对误差信号伯德图。
以上图中：
101、信号采集模块 102、压频补偿模块
102、比较器 104、二阶积分器
105、量化器 106、随机噪声发生器
107、单稳态触发器 108、驱动隔离模块
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。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。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本发明旨在提供一种基于脉冲密度辅助变流器控制系统及其控制方法。该控制系统及其控制方法具有良好的噪声抑制功能，本专利采用通信领域采用的三角积分调制取代PWM调制，图2为本发明脉冲密度调制方法示意图，如图2所示。三角积分调制输出波形为等高不等宽且频率不固定的脉冲波形，即为脉冲密度调制(PDM)波形。PDM调制方法是一种典型的频谱扩散技术，可以将辅助变流器中聚集于开关频率及其谐波频率上的能量分布在更多的频率上，使单根频谱能量降低，从而提升电磁兼容(EMC)效果。
目前主流的列车辅助变流器常用PWM调制方法，该方法是一种高噪声的调制方式。对比于本专利所述的PDM调制方法，有如下创新点
1.相比PWM调制方式，PDM调制器在保持有用信号不变的情况下，能够将低频带内的噪声推到高频带内，使其噪声分布到更多的频率上，降低系统EMI峰值；
2.PDM调制器的反馈信号取自功率器件的桥臂中点，即将功率器件上下管的导通压降误差、死区误差等误差信号包括在环路内部。PDM调制技术可以对这些误差噪声信号进行抑制，从而改善输出波形质量；
3.PDM调制器采用二重积分环节，可以获得对低频段噪声的抑制能力；且配备平衡的零、极点个数，以减小对输入信号的相位影响。
4.为降低变流器磁性元器件和散热设计难度，减小功率器件开关频率变换范围，本专利引入频率补偿环节，经过运算改变采样频率fs，使得IGBT平均开关频率平均值尽量恒定。
为克服单稳态触发器始终采样频率及其谐波频率的固定干扰，本专利引入伪随机序列和FIR滤波器，进行白噪声补偿，增加输出频率随机度。
图3为本发明辅助变流器结构示意图，如图3所示，常规的列车辅助变流器由三相逆变电路和LC滤波器组成。三相电路的调制信号为平面上互差120°的正弦交流信号，为简化分析，本专利只对其中U相进行分析，另外两相调制信号与其相差±120°，调制原理相同。
下面结合附图对本申请提供的一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其控制方法做进一步说明。
图4为本发明控制方法流程示意图，如图4所示，本申请一些实施例中，提供一种基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，包括：
信号采集步骤：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；
压频补偿步骤：根据衰减电压、预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据采样频率对预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较步骤：对衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据参考电压和衰减延迟电压进行比较，输出参考电压和衰减延迟电压的差值；
二阶积分步骤：对参考电压和衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化步骤：对积分电压信号进行零值比较，对积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，以实现电压基于脉冲密度的调制。
作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
随机噪声发生步骤：接收预设参考电压，通过随机方式增加预设参考电压输出频率的随机度。
进一步的，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
单稳态触发步骤：接收预设参考电压及采样频率，输出参考电压。
再进一步的，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，还包括：
驱动隔离步骤：对输出电压的脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
图5为本发明实施例控制系统示意图，如图5所示，本发明一些实施例中还提供一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统10，应用于如上所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，包括：信号采集模块101，压频补偿模块102，比较器103，二阶积分器104，量化器105；
信号采集模块101：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；信号采集模块101在辅助变流器的功率器件桥臂中点进行输出电压采集。
压频补偿模块102：连接于信号采集模块101，根据衰减电压及预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据采样频率对预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较器103：连接于信号采集模块101和压频补偿模块102，对衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据参考电压和衰减延迟电压进行比较，输出参考电压和衰减延迟电压的差值；
二阶积分器104：连接于比较器103，对参考电压和衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化器105：连接于二阶积分器104和信号采集模块101，对积分电压信号进行零值比较，对积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，以实现电压基于脉冲密度的调制。
图6为本发明又一实施例控制系统示意图，如图6所示，作为优选，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统10，还包括：
随机噪声发生器106：连接比较器103，接收预设参考电压，通过随机方式增加预设参考电压输出频率的随机度。
进一步的，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统10，还包括：
单稳态触发模块107：连接比较器103及压频补偿模块102，接收预设参考电压及采样频率，输出参考电压。
再进一步的，上述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统10，还包括：
驱动隔离模块108：连接量化器105及信号采集模块101，用于对输出脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
下面结合附图对本申请提供的一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其控制方法的具体实施例做进一步说明。
图7为本发明PDM调制系统结构示意图，如图7所示，采用PDM调制的辅助变流器简化模型，其中，PDM调制器由单稳态触发器、比较环节、积分环节、单位延迟环节、1bit量化器、比例衰减环节、频率补偿环节、驱动隔离电路组成，其中PDM调制器的反馈信号取自于功率器件桥臂输出中点脉冲电压。基于PDM调制的辅助变流器控制流程如下：
1.通过电压采集装置采集功率器件桥臂中点输出电压波形，经过比例衰减环节1/M换算成单位信号，衰减倍数M由电路拓扑决定，若是全桥逆变拓扑，衰减倍数M为母线电压Vcc；若是半桥逆变拓扑，衰减倍数M为母线电压Vcc一半；
2.将衰减后的信号通过单位延迟环节，设置该环节的目的是避免出现代数环，继而导致环路计算无解；
3.经过单位延迟环节的信号与参考信号进行比较，两者差值送入积分环节。该积分环节为二阶积分环节，两个积分环节需要配置相同数目的零、极点个数，目的是减小对输入信号的相位影响；
4.将经过积分环节后的信号送入1bit量化器，即零值比较器。如果输入信号大于零，输出为1，记为高电平；如果输入信号小于零，输出为0，记为低电平，得到频率不断变换的脉冲信号。其中量化器在进行比较判断时，由于输入信号频率的随机性，该环节产生的噪声趋近于白噪声，附图8为PDM调制器的数学分析模型，上述PDM调制器中的1bit量化器在进行比较判断时产生的白噪声记为e(t)。图9为PDM调制器输出信号对输入信号伯德图，图10为PDM调制器输出信号对误差信号伯德图，可以看出该PDM调制器对输入信号x(t)的低频噪声有很强的的抑制能力；对外部干扰噪声e(t)呈现高通特性。即PDM调制器在保持有用信号不变的情况下，能够将低频带内的噪声推到高频带内，使其噪声分布到更多的频率上，降低系统EMI峰值干扰。
5.将该脉冲信号经过驱动隔离电路，以增大驱动能力，继而驱动功率器件，得到调制波形；
6.PDM调制方法输出的驱动信号频率变化范围较大，使得磁性元器件和散热设计变得困难。PDM调制方法输出频率频率
Figure BDA0003138280080000081
与输入信号和采样频率fs的关系为
Figure BDA0003138280080000082
欲维持输出频率平均值恒定，则需要根据参考电压Vref和输出电压Vo联合调整采样频率fs，满足
Figure BDA0003138280080000091
本专利引入频率补偿环节，通过将反馈电压和给定电压差值进行上述换算，结合变流器期望输出开关频率平均值
Figure BDA0003138280080000092
运算结果作为系统采样及运算频率fs。通过引入该环节，可以减小功率器件的开关频率变换范围，方便硬件的设计，同时变换的采样频率可以降低恒定采样频率引入的固定干扰；
7.引入单稳态触发器的同时，会不可避免地引入时钟采样频率及其谐波频率的固定干扰，从而降低PDM调制的EMC效果。除了上述的频率补偿环节外，本专利通过引入随机噪声发生器克服PDM调制输出频率随机度低的不足问题。随机噪声发生器可以采用通信领域常用的伪随机发生序列和FIR滤波器联合得到白噪声序列。
本发明量化器产生的白噪声均匀分布在奈奎斯特采样频率内(即为采样频率的1/2)。如果提高采样频率，相应的奈奎斯特采样频率也会变高，则量化器产生的白噪声将分布在更广的频带内，进一步提高信噪比。常规辅助变流器开关频率一般设定在几百赫兹到两千赫兹以内，若使用含有过采样的PDM调制器则需要提高系统的采样频率，至少2倍开关频率以上。
本发明提出的一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统及其控制方法。该系统及其方法具有良好的噪声抑制，且能够降低对输入电网和用电设备的电磁干扰，提高列车运行稳定性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，其特征在于，包括：
信号采集步骤：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；
压频补偿步骤：根据所述衰减电压、预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据所述采样频率对所述预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较步骤：对所述衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据所述参考电压和所述衰减延迟电压进行比较，输出所述参考电压和所述衰减延迟电压的差值；
二阶积分步骤：对所述参考电压和所述衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化步骤：对所述积分电压信号进行零值比较，对所述积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，实现基于脉冲密度的调制方法。
2.根据权利要求1所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，其特征在于，还包括：
随机噪声发生步骤：接收所述预设参考电压，通过随机方式增加所述预设参考电压输出频率的随机度。
3.根据权利要求1所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，其特征在于，还包括：
单稳态触发步骤：接收所述预设参考电压及所述采样频率，输出所述参考电压。
4.根据权利要求1所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，其特征在于，还包括：
驱动隔离步骤：对所述输出电压的脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
5.一种基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，应用于如权利要求1-4中任意一项所述基于脉冲密度的辅助变流器控制方法，其特征在于，包括：
信号采集模块：采集辅助变流器的输出电压，经过衰减环节，输出衰减电压；
压频补偿模块：连接于所述信号采集模块，根据所述衰减电压、预设参考电压及预设功率器件开关频率均值进行联合调整，输出采样频率，根据所述采样频率对所述预设参考电压进行压频补偿，输出参考电压；
比较器：连接于所述信号采集模块和压频补偿模块，对所述衰减电压进行单位延迟，输出衰减延迟电压，根据所述参考电压和所述衰减延迟电压进行比较，输出所述参考电压和所述衰减延迟电压的差值；
二阶积分器：连接于比较模块，对所述参考电压和所述衰减延迟电压的差值进行二阶积分，输出积分电压信号；
量化器：连接于二阶积分模块和信号采集模块，对所述积分电压信号进行零值比较，对所述积分电压信号的低频噪声进行抑制，输出经过脉冲密度调制的驱动信号，实现基于脉冲密度的调制方法。
6.根据权利要求5所述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，其特征在于，还包括：
随机噪声发生器：连接所述比较模块，接收所述预设参考电压，通过随机方式增加所述预设参考电压输出频率的随机度。
7.根据权利要求5所述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，其特征在于，还包括：
单稳态触发器：连接所述比较模块及压频补偿模块，接收所述预设参考电压及所述采样频率，输出所述参考电压。
8.根据权利要求5所述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，其特征在于，还包括：
驱动隔离模块：连接所述量化模块及信号采集模块，用于对所述输出脉冲信号增大驱动能力，输出调制波形。
9.根据权利要求5所述基于脉冲密度的辅助变流器控制系统，其特征在于，所述信号采集模块在所述辅助变流器的功率器件桥臂中点进行输出电压采集。
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