CN113541521A - 逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法 - Google Patents

逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，属于逆变器脉宽调制技术领域，包括：基于逆变器各个周期频率进行求和，得到逆变器开关频率平均值；设定频率滞环上下限；将逆变器开关频率平均值与所述频率滞环上下限进行比较，得到滞环比较结果；根据滞环比较结果，确定平均开关频率误差；根据所述开关频率误差的取值，确定随机数；基于所述随机数以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期；根据所述下一时刻采样周期，给比较寄存器赋值，生成单相逆变器的PWM驱动信号。本申请可以将开关频率及其整数倍处集中分布的谐波，比较均匀的分布在选定频率范围内并实现随机PWM控制，能够选择性降低特定频率处的谐波。

Description

逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法
技术领域
本发明属于逆变器脉宽调制技术领域，具体涉及一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法。
背景技术
在传统正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)策略中，逆变器开关频率通常固定不变。会在开关频率及其整数倍频率处产生较多的高次谐波；是引起电机等负载电磁振动和噪声的主要原因。提高逆变器工作频率虽然可以削弱电磁振动和噪音；但不适用于开关频率必须被限制在较低值的应用场合，例如大功率牵引传动系统。RPWM可以将原本集中在开关频率及其整数倍频率上谐波，均匀的分布在一定宽度的频率范围内，是目前降低电磁振动噪声以及EMI的一种比较有效的方法。
RPWM按随机方式主要可分为：①随机开关频率PWM通常是在载波信号随机化的基础上，实现逆变器输出电压和电流PSD在频段内均匀分布；是目前应用比较广泛的一种随机PWM方式。②随机脉冲位置PWM的随机性体现在脉冲位置可以在采样周期内随机改变。其中包括随机超前滞后调制(RLL)和脉冲中心随机位移(RCD)等方式。③随机开关PWM与传统的SPWM方式比较相似，只是将三角波载波换为随机载波，其中载波波形和幅值都是随机不规则的；但这种方法对开关频率要求比较高，适合高开关频率场合。④随机零矢量PWM是通过逆变器零矢量时间和位置的随机使用完成输出信号随机化。⑤混合随机开关频率PWM是上述4种基本方式的组合。
目前，各种类型RPWM策略通常无法选择性消除对系统危害性较大的特定频率谐波。常见的SHEPWM策略虽然可以消除特定次谐波，但是主要针对6k±1等低次谐波，对消除高次谐波抑制作用不大，例如系统的共振频率。
此外，开关频率是逆变器控制中的重要指标。当开关频率持续偏高，即平均开关频率偏高时，会增加IGBT的通断损耗；通常变频器的开关频率升高到一定值以后，每增加1kHz，变频器需降低额定功率约5％使用。当开关频率持续偏低时，会引起输出电流纹波增加等问题。而另一方面，RPWM又要求逆变器瞬时开关频率分布在较宽的频率范围内。这些都对逆变器开关频率控制提出了更高的要求。现有相关文献在实现选择性谐波消除时，均未考虑如何兼顾控制逆变器的瞬时开关频率和平均开关频率；也未给出开关周期、随机数及其对应频率上下限的通用公式，缺乏对特定次频率的消除机理进行系统性分析。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提出一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法。利用PWM脉冲傅里叶级数中前后项相互抵消的方式，实现对特定次谐波频率的选择性消除；针对超前、居中和滞后3类PWM脉冲位置，分别提出2种RPWM选择性谐波消除的思路；并通过合理选取RPWM中的有效随机数k，实现滞环随机扩频，可以根据实际需要控制逆变器平均开关频率的升高和降低；既能保证逆变器瞬时开关频率在较宽的频率范围内随机分布，又能将逆变器平均开关频率限制在设定的频率范围内。
一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，包括如下步骤：
基于逆变器各个周期频率fm进行求和，得到逆变器开关频率平均值fAn；
设定频率滞环上下限f1和f2；
将逆变器开关频率平均值fAn与所述频率滞环上下限f1和f2进行比较，得到滞环比较结果；
根据滞环比较结果，确定平均开关频率误差Δf；
根据所述开关频率误差Δf的取值，确定随机数k；
基于所述随机数k以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1；
根据所述下一时刻采样周期Tn+1，给比较寄存器赋值，生成单相逆变器的PWM驱动信号。
所述基于所述随机数以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，包括如下步骤：
针对逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中脉冲位置的通用表达式，进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
根据所述傅里叶变换结果，按照第一选择性谐波消除方法或者第二选择性谐波消除方法，对前后项相互抵消，得到具有随机数k的特定次谐波通用表达式；
根据所述具有随机数k的特定次谐波通用表达式，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式。
所述第一选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第一求和分项，抵消第n项的第二求和分项；利用第n+e+1项的第一求和分项，抵消第n+1项的第二求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
所述第二选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第二求和分项，抵消第n项的第一求和分项；利用第n+e+1项的第二求和分项，抵消第n+1项的第一求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
所述在开关周期中脉冲位置的通用表达式，包括：逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中的超前、居中和滞后类脉冲位置的通用表达式。
所述根据所述开关频率误差Δf的取值，确定随机数k，包括如下步骤：
根据下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，基于指定频率f0以及占空比和开关周期极限值得到随机整数k的上限kmax和下限kmin的通用表达式；
当Δf为1时，说明平均开关频率偏高，在随机整数k的上限kmax中随机选取1个k；
当Δf为-1时，说明平均开关频率偏低，在随机整数k的下限kmin中随机选取1个k；
当Δf为0时，说明平均开关频率在运行范围内，在所有有效随机数k中随机选取1个k；所有有效随机数k包括kmax、kmin，即kmin至kmax之间的所有整数；
如果某一时刻，有效随机数k的个数小于等于3，则Δf取值为零。
有益技术效果：
本发明涉及一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法。根据3类脉冲位置分别给出了2种择性谐波消除方法，以及相应的开关周期、随机数及其对应频率上下限的通用公式。
相比于定开关频率PWM方式，可以将开关频率及其整数倍处集中分布的谐波，比较均匀的分布在选定频率范围内。能够通过占空比D和随机数k随机的改变开关周期和开关频率，实现随机PWM控制。
相比于传统RPWM方式，可以选择性降低特定频率处的谐波。由于数字系统延时等因素影响，特定次谐波只能被降低，而不能被完全消除。
通过频率滞环控制，可以灵活控制逆变器平均开关频率的升高和降低。既能保证逆变器瞬时开关频率在较宽的频率范围fmin～fmax内随机分布，又能将平均开关频率控制在设定较小频率范围f1～f2内。该方法具有控制灵活性强，算法简单，易于实现的特点。
附图说明
图1本发明实施例一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法流程图；
图2本发明实施例得到下一时刻采样周期通用表达式流程图；
图3本发明实施例单相电压型逆变器主电路图；
图4本发明实施例的脉冲序列分布图，其中，(a)为脉冲位于开关周期前端，(b)为脉冲位于开关周期中心对称，(c)为脉冲位于开关周期后端；
图5本发明实施例的频率滞环电压谐波消除方法原理框图。
具体实施方式
实施例1
一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：基于逆变器各个周期频率fm进行求和，得到逆变器开关频率平均值fAn；
步骤S2：设定频率滞环上下限f1和f2；
步骤S3：将逆变器开关频率平均值fAn与所述频率滞环上下限f1和f2进行比较，得到滞环比较结果；
步骤S4：根据滞环比较结果，确定平均开关频率误差Δf；
步骤S5：根据所述开关频率误差Δf的取值，确定随机数k；
步骤S6：基于所述随机数k以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1；
步骤S7：根据所述下一时刻采样周期Tn+1，给比较寄存器赋值，生成单相逆变器的PWM驱动信号。
所述基于所述随机数以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S6.1：针对逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中脉冲位置的通用表达式，进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
步骤S6.2：根据所述傅里叶变换结果，按照第一选择性谐波消除方法或者第二选择性谐波消除方法，对前后项相互抵消，得到具有随机数k的特定次谐波通用表达式；
步骤S6.3：根据所述具有随机数k的特定次谐波通用表达式，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式。
所述第一选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第一求和分项，抵消第n项的第二求和分项；利用第n+e+1项的第一求和分项，抵消第n+1项的第二求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
所述第二选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第二求和分项，抵消第n项的第一求和分项；利用第n+e+1项的第二求和分项，抵消第n+1项的第一求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
所述在开关周期中脉冲位置的通用表达式，包括：逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中的超前、居中和滞后类脉冲位置的通用表达式。
所述根据所述开关频率误差Δf的取值，确定随机数k，包括如下步骤：
根据下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，基于指定频率f0以及占空比和开关周期极限值得到随机整数k的上限kmax和下限kmin的通用表达式；
当Δf为1时，说明平均开关频率偏高，在随机整数k的上限kmax中随机选取1个k；
当Δf为-1时，说明平均开关频率偏低，在随机整数k的下限kmin中随机选取1个k；
当Δf为0时，说明平均开关频率在运行范围内，在所有有效随机数k中随机选取1个k；所有有效随机数k包括kmax、kmin，即kmin至kmax之间的所有整数；
如果某一时刻，有效随机数k的个数小于等于3，则Δf取值为零。
⑴RPWM中的特定频率谐波消除机理分析
针对3类脉冲位置，分别给出2种RPWM中的选择性电压谐波消除方法。
如图3所示，以两电平单相逆变器中的V1V2半桥单元中图4(a)脉冲位置为例进行分析。图4(a)中脉冲序列第n个周期表达式如公式(1)所示。该序列脉冲表达式见公式(2)，对公式(2)做傅里叶变换的到公式(3)。在公式(3)中，分别用a(f)和b(f)为傅里叶变化后的实部和虚部，得到公式(4)和(5)。
Figure BDA0003149575140000051
Figure BDA0003149575140000052
Figure BDA0003149575140000053
Figure BDA0003149575140000054
Figure BDA0003149575140000055
其中，E代表PWM脉冲的幅值；gn(t)为PWM电压脉冲第n开关周期的表达式；tn第n开关周期开始时间；t为时间；n表示第n个开关周期。在公式(3-5)的基础上，为了更具有通用性，在正弦函数中加入任意角度
Figure BDA0003149575140000056
如公式(6)。按图4(a)脉冲位置可得公式(7)；同理图4(b)脉冲位置可得公式(8)；图4(c)脉冲位置可得公式(9)。假设f0为待消除电压谐波频率，如果c(f0)对于任何
Figure BDA0003149575140000057
都等于0，即可满足a(f0)和b(f0)都等于0，可达到消除特定次谐波频率f0的目的。因为a(f0)和b(f0)可以视为c(f0)的特殊情况。
Figure BDA0003149575140000058
为了使c(f0)对于任何
Figure BDA0003149575140000061
都等于0，消除特定次谐波频率f0，在公式(7-9)的基础上，可以得出2种选择性选择性谐波消除方法：即利用前后项相互抵消的方式来实现特定频率的选择性消除。
图4中脉冲可以视为电压型半桥逆变器的第n周期输出电压。其中，图4(a)将PWM脉冲置于开关周期前段；图4(b)则采用周期内中心对称的脉冲位置；图4(c)将PWM脉冲置于开关周期后段。根据上文立项依据部分所述，脉冲位置的多样性有利于提高RPWM算法的随机性。
Figure BDA0003149575140000062
Figure BDA0003149575140000063
Figure BDA0003149575140000064
其中，E代表PWM脉冲的幅值；gn(t)为PWM电压脉冲第n开关周期的表达式；tn第n开关周期开始时间；t为时间；n表示第n个开关周期添加字母含义：c(f0)为公式(3)傅里叶变换中实部和虚部的通用形式，Dn为第n开关周期的占空比，Tn第n开关周期的周期值，m为正整数。为了使c(f0)对于任何
Figure BDA0003149575140000065
都等于0，消除特定次谐波频率f0，在公式(7-9)的基础上，可以得出2种选择性电压谐波消除的方法：即利用前后项相互抵消的方式来实现特定频率的选择性消除。
第一选择性谐波消除方法：利用公式(7-9)中第n+e项的第一求和分项，抵消第n项的第二求和分项；利用第n+e+1项的第一求和分项，抵消第n+1项的第二求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消。
第一选择性谐波消除方法：利用公式(7-9)中第n+e项的第二求和分项，抵消第n项的第一求和分项；利用第n+e+1项的第二求和分项，抵消第n+1项的第一求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消。
其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数。
⑵超前脉冲位置对应的RPWM选择性谐波消除方法
在公式(7)的基础上，根据第一选择性谐波消除方法和第二选择性谐波消除方法可得
表1图4(a)方式中开关周期计算公式
Figure BDA0003149575140000071
利用Tn+1公式，在指定频率f0以及占空比和开关周期极限值的基础上，可得随机整数k上、下限kmax和kmin的通用表达式，以及每个k所对应的开关频率上下限fkmax和fkmin通用式见表2。同理得出e等于其它正整数时的情况。
表2图4(a)方式中k及其对应频率极值
Figure BDA0003149575140000072
⑶居中脉冲位置对应的RPWM选择性谐波消除方法
在公式(8)的基础上，根据第一选择性谐波消除方法和第二选择性谐波消除方法可得：
表3图4(b)方式中开关周期表达式
Figure BDA0003149575140000073
Figure BDA0003149575140000081
表4图4(b)方式中k及其对应频率极值
Figure BDA0003149575140000082
⑷滞后脉冲位置对应的RPWM选择性谐波消除方法
在公式(9)的基础上，根据第一选择性谐波消除方法和第二选择性谐波消除方法可得
表5图4(c)方式中开关周期表达式
Figure BDA0003149575140000083
表6图4(c)方式中k及其对应频率极值
Figure BDA0003149575140000091
⑸如何在RPWM选择性谐波消除过程中实现开关频率优化控制。
由表2、4和6可知，随机整数k越大，其对应的开关频率极限值fkmax和fkmin越小；即k较大时，其对应的瞬时开关频率将分布在一个较低的频率范围内。反之k越小时，其对应的逆变器瞬时开关频率的极限值越大。这也使得通过合理选取随机数k，来控制逆变器平均开关频率成为可能。当平均开关频率偏低时，选择较小的随机数k，以提高平均开关频率；防止由于开关频率过低造成的电流纹波增加。当平均开关频率偏高时，选择较大的随机数k，以降低平均开关频率和开关损耗。
如图5所示，按图4(a)中的脉冲位置，在第一选择性谐波消除方法的基础上，提出RPWM选择性谐波消除中的滞环随机扩频方法。在保证逆变器瞬时开关频率分布在较宽带频率范围的前提下，又能准确控制平均开关频率。
Figure BDA0003149575140000092
公式(10)为第n个采样周期开始时刻，逆变器开关频率平均值fAn的计算公式。首先，利用公式(10)计算逆变器开关频率平均值fAn，并设定频率滞环上下限为f1和f2；根据滞环比较结果确定平均开关频率误差△f，如公式(11)所示。
Figure BDA0003149575140000093
当△f为1时，说明平均开关频率偏高，此时在3个最大有效随机数kmax1,2,3中随机选取1个k；当△f为-1时，说明平均开关频率偏低，此时在3个最小有效随机数kmin1,2,3中随机选取1个k；当△f为0时，说明平均开关频率在运行范围内，此时在所有有效随机数k1,2,3…中随机选取。如果某一时刻，有效随机数k的个数小于等于3，则按△f等于0计算结果。
在选定随机数k之后，利用表1计算下一采样周期值Tn+1；并给DSP比较寄存器赋值；最终生成单相逆变器的PWM驱动信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于逆变器各个周期频率fm进行求和，得到逆变器开关频率平均值fAn；
设定频率滞环上下限f1和f2；
将逆变器开关频率平均值fAn与所述频率滞环上下限f1和f2进行比较，得到滞环比较结果；
根据滞环比较结果，确定平均开关频率误差△f；
根据所述开关频率误差△f的取值，确定随机数k；
基于所述随机数k以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1；
根据所述下一时刻采样周期Tn+1，给比较寄存器赋值，生成单相逆变器的PWM驱动信号。
2.如权利要求1所示的逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，
所述基于所述随机数以及选择性谐波消除的方法，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，包括如下步骤：
针对逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中脉冲位置的通用表达式，进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果；
根据所述傅里叶变换结果，按照第一选择性谐波消除方法或者第二选择性谐波消除方法，对前后项相互抵消，得到具有随机数k的特定次谐波通用表达式；
根据所述具有随机数k的特定次谐波通用表达式，得到下一时刻采样周期Tn+1通用表达式。
3.如权利要求2所示的逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，所述第一选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第一求和分项，抵消第n项的第二求和分项；利用第n+e+1项的第一求和分项，抵消第n+1项的第二求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
4.如权利要求2所示的逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，所述第二选择性谐波消除方法，包括：利用傅里叶变换结果中第n+e项的第二求和分项，抵消第n项的第一求和分项；利用第n+e+1项的第二求和分项，抵消第n+1项的第一求和分项；以此类推，使得各项中的求和项之间相互抵消，其中，第n+e开关周期的开始时间为tn+e，e为正整数，其中，n表示第n个开关周期，e为正整数。
5.如权利要求2所示的逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，所述在开关周期中脉冲位置的通用表达式，包括：逆变器输出电压PWM脉冲在开关周期中的超前、居中和滞后类脉冲位置的通用表达式。
6.如权利要求1所示的逆变器随机脉宽调制选择性消谐中的滞环随机扩频方法，其特征在于，所述根据所述开关频率误差△f的取值，确定随机数k，包括如下步骤：
根据下一时刻采样周期Tn+1通用表达式，基于指定频率f0以及占空比和开关周期极限值得到随机整数k的上限kmax和下限kmin的通用表达式；
当△f为1时，说明平均开关频率偏高，在随机整数k的上限kmax中随机选取1个k；
当△f为-1时，说明平均开关频率偏低，在随机整数k的下限kmin中随机选取1个k；
当△f为0时，说明平均开关频率在运行范围内，在所有有效随机数k中随机选取1个k，所有有效随机数k包括kmax、kmin，即kmin至kmax之间的所有整数；
如果某一时刻，有效随机数k的个数小于等于3，则△f取值为零。
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