CN114024482A - 一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，包括在同步调制区中，采集电机的相电流，计算调制电压和调制电压的相位P；获取逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比N，根据载波比N计算每一个载波所对应的角度范围θ；根据调制电压的相位P和角度范围θ计算当前调制电压周期内的终止载波与调制电压的相位差值；根据相位差值对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿生成补偿后的载波。本发明公开了一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法实现了对载波相位校正，最终达到调制波与载波两者相位完全一致，保证了电机转矩输出的精确并降低了转矩脉动。

Description

一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法。

背景技术

进行电机控制时，逆变器一般采用脉冲宽度调制方式(Pulse width modulation,简称PWM调制)输出电机的端电压。PWM调制方式对逆变器中的开关器件的通断进行控制，使逆变器输出一系列幅值相等宽度周期性变化的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。通过一定规则对各脉冲的宽度和周期进行控制，就可以得到既可幅值和频率变化的等效电压。

PWM调制包含调制波和载波，调制波就是期望得到的波形，载波一般为三角波，通过比较调制波与载波的值的大小来开通关断器件。以正弦电压调制波为例，PWM调制的波形如图1所示，其中U_c表示载波，U_m表示调制波。

在大功率逆变器的应用场合，为减小设备体积、降低器件发热、降低成本，载波频率的最大值受到一定限制。随着电机运行频率的提高，载波与调制波的比值逐渐降低。在电机控制策略中，调制波一般为经过计算的电机电压，具有相位角度和周期变化的幅值。

当电机频率较低，一般采用异步调制方式，此时载波与调制波数量的比值(载波比)较高，每个电压周期内电压脉冲数量较多，电压脉冲可以较好的趋近期望电压。但是当电机频率升高时，载波比逐渐减小。当载波比小于15时，为保持电机电压对称，需要采用同步调制的方式，即一个调制波周期对应固定数量的载波，此时就需要考虑调制波(电机期望电压)与载波的相位偏差问题，即初始角度的偏差。如果相位偏差过大，输出电压脉冲会发生变化，会造成电压脉冲失真，电压谐波增加。因此需要考虑调制波与载波的相位校正，以确保输出电压的质量。

以9载波比区间为例(以下分析同此设定)。当调制波与载波相位无偏差时，逆变器输出的线电压完全对称，图2为无相位偏差时，逆变器U相、V相的输出电压U_u、U_v、载波U_um、U_vm的波形。图2中，可以看出调制波U_um起始点对应载波起始点。

当调制波与载波出现相位偏移时，由图3可以看出，调制波U_um与载波起点相位不一致，输出的相电压脉冲波形略有变化，相位不一致会造成电压矢量与转子相对位置偏移，造成定子电压与转子位置不同步，导致电机转矩输出不精确以及转矩脉动，尤其在固定电机载波比运行时，这种现象更为严重。

发明内容

本发明针对以上问题提出了一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，包括以下步骤：

步骤1、在同步调制区中，采集电机的相电流，根据所述相电流计算调制电压以及所述调制电压的相位P；

步骤2、获取逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比N，根据所述载波比N计算在每个调制电压周期内每一个载波所对应的角度范围θ，所述角度范围θ通过公式(1)计算：

θ＝360°/N (1)；

步骤3、根据所述调制电压的相位P和所述角度范围θ判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波，若是，计算当前载波与调制电压的相位差值；

步骤4、根据所述相位差值对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿，并在下一载波起始时刻，生成补偿后的载波。

进一步地，所述步骤3中通过以下方法判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波：

利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得整数部分n，判断整数部分n是否等于N-1，若是，当前载波为当前调制电压周期内的终止载波。

进一步地，所述步骤3中通过以下方法计算当前载波与调制电压的相位差值err₁：

利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得余数部分y，

当余数部分y小于θ/2时，err₁＝-y，

当余数部分y大于θ/2时，err₁＝θ-y。

进一步地，所述步骤4中通过以下方法对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿：

通过公式(2)进行PI调节和限幅处理：

其中：ΔC为PI调节器输出的补偿值，K_p为比例调节系数，K_i为积分调节系数，T_i为积分周期，

为误差累加项，i表示err₁的序号；

通过公式(3)对载波值进行限幅，限幅规则如下：

ΔC_PI＝((ΔC)<(MIN)？(MIN):((ΔC)>(MAX)？(MAX):(ΔC))) (3)

式中：MAX，MIN分别允许输出的最大和最小值，ΔC_PI为限幅后的载波补偿值。

与现有技术比较，本发明公开的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法具有以下有益效果：本发明中由于通过实时采集相电流并计算调制电压的相位，通过载波比计算每个载波所对应的角度范围，进而通过电压的相位和角度范围判断出当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波，进而计算出当前载波与调制电压的相位差值，通过相位差值对下一周期的载波进行校正补偿，实现了实时对载波与调制波相位的校准，最终达到调制波与载波两者相位完全一致，保证了电机转矩输出的精确并降低了转矩脉动。

附图说明

图1为脉冲宽度调制(PWM)波示意图；

图2为无相位偏差时，U相、V相的相电压和载波的波形图；

图3为有相位偏差时，U相、V相的相电压和载波的波形图；

图4为本发明公开的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法的流程图；

图5为载波与调制波的相对位置关系；

图6为本发明中载波的相位校正的原理图；

图7为本发明实施例中调制波超前载波时，相位校正后的波形图；

图8为本发明实施例中调制波滞后载波时，相位校正后的波形图。

具体实施方式

如图4所示为本发明公开的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，包括以下步骤：

步骤1、在同步调制区中，采集电机的相电流，根据所述相电流计算调制电压以及所述调制电压的相位P；

步骤2、获取逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比N，根据所述载波比N计算在每个调制电压周期内每一个载波所对应的角度范围θ，所述角度范围θ通过公式(1)计算：

θ＝360°/N (1)；

步骤3、根据所述调制电压的相位P和所述角度范围θ判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波，若是，计算当前载波与调制电压的相位差值；

步骤4、根据所述相位差值对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿，并在下一载波起始时刻，生成补偿后的载波。

具体地，在电机控制过程中，当电机频率升高时，载波比逐渐减小，逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比逐渐减小，当载波比小于一定值时，例如载波比为15时，为保持电机电压对称，需要采用同步调制的方式，即一个调制波周期对应固定数量的载波，即电机控制进入在同步调制区，在同步调制区中，实时采集电机的相电流，根据所述相电流计算调制电压以及所述调制电压的相位P；

然后，获取逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比N，根据所述载波比N计算在每个调制电压周期内每一个载波所对应的角度范围θ，所述角度范围θ通过公式(1)计算：

θ＝360°/N (1)

即通过载波比计算出每个载波对应的角度；

计算角度范围θ之后，根据所述调制电压的相位P和所述角度范围θ判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波，若是，计算当前载波与调制电压的相位差值，本发明中，所述步骤3中通过以下方法判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波：利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得整数部分n和余数部分y，判断整数部分n是否等于N-1，若是，当前载波为当前调制电压周期内的终止载波，即通过调制电压的相位P除以角度范围θ通过整数部分n(商)判断当前载波是否是当前调制波周期内的最后一个载波，如图5所示，调制波与载波的相对位置有超前、滞后情况，根据余数进行载波与调制波的相位关系判断，并进行相位矫正调节；如果余数y小于θ/2，说明载波超前于调制波；如果余数y大于θ/2，说明载波滞后于调制波，图5中，U_s1表示调制波超前载波的情况，U_s2表示调制波滞后载波的情况，本发明中，所述步骤3中通过以下方法计算当前载波与调制电压的相位差值err₁：

利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得余数部分y，

当余数部分y小于θ/2时，err₁＝-y，

当余数部分y大于θ/2时，err₁＝θ-y。

如果调制波相位超前载波，则差值符号值设定负，用以减小载波值，即缩短载波周期；反之，差值符号设定为正，用以增加载波值，即延长载波周期。差值经过PI调节器，输出载波周期的修正值，修正值作为载波值调整的依据。载波的周期会根据修正值自行调节，使每组载波的起始结束点和调制波的起始点完全对应。

当计算出当前载波与调制电压的相位差值err₁后，对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿，具体过程如下如图6所示，相位校正采用闭环控制模式，给定量为设定为0，即载波与调制波完全同步时的相位差期望值，反馈值为调制波相位，即载波与调制波相位的偏差值：

通过公式(2)进行PI调节和限幅处理：

其中：ΔC为PI调节器输出的补偿值，K_p为比例调节系数，K_i为积分调节系数，T_i为积分周期，

为误差累加项，i表示err₁的序号；

通过公式(3)对载波值进行限幅，限幅规则如下：

ΔC_PI＝((ΔC)<(MIN)？(MIN):((ΔC)>(MAX)？(MAX):(ΔC))) (3)

式中：ΔC_PI为限幅后的载波补偿值，MAX，MIN分别允许输出的最大和最小值，一般设定为载波值的3％；ΔC_PI与当前载波值叠加，计算出新的载波值，生成载波，本发明中通过对DSP器件进行配置，设置每执行一次载波计数所用的时间t，t的倒数k即为DSP的PWM计数器每秒钟计数个数，电机频率f与所处分频区间的乘积m为每秒需要的载波个数，用k除以m就得到当前频率下pwm载波计数器的计数值，通过DSP内部PWM模块的硬件作用可生成载波，即在每一个调制波周期内载波周期不变，在下一调制波周期开始前计算出下一调制波周期的载波的载波值并生成新的载波。设定限幅值的目的是防止ΔC_PI过大或过小导致的载波值剧烈变化，保持系统能运行稳定。

通过对调制波和载波相位的校正调节，使当两者之间发生相位偏移时，能够及时的调整两者间的相位关系，使在特定载波比区间内，载波与调制波的初始相位保持一致。

如图7和图8所示为本发明中以9载波为例进行的调制波与载波相位校正，通过图中可以看出，采用本发明低载波比条件下调制波与载波相位校正方法进行相位校正后，调制波和载波可以实现相位同步，相电压脉冲分布也恢复正常。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在同步调制区中，采集电机的相电流，根据所述相电流计算调制电压以及所述调制电压的相位P；

步骤2、获取逆变器最大载波频率和电机运行的频率对应的载波比N，根据所述载波比N计算在每个调制电压周期内每一个载波所对应的角度范围θ，所述角度范围θ通过公式(1)计算：

θ＝360°/N (1)；

步骤3、根据所述调制电压的相位P和所述角度范围θ判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波，若是，计算当前载波与调制电压的相位差值；

步骤4、根据所述相位差值对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿，并在下一载波起始时刻，生成补偿后的载波。

2.根据权利要求1所述的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，其特征在于：所述步骤3中通过以下方法判断当前载波是否为当前调制电压周期内的终止载波：

利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得整数部分n，判断整数部分n是否等于N-1，若是，当前载波为当前调制电压周期内的终止载波。

3.根据权利要求2所述的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，其特征在于：所述步骤3中通过以下方法计算当前载波与调制电压的相位差值err₁：

利用所述调制电压的相位P除以所述角度范围θ获得余数部分y，

当余数部分y小于θ/2时，err₁＝-y，

当余数部分y大于θ/2时，err₁＝θ-y。

4.根据权利要求3所述的低载波比条件下调制波与载波相位校正方法，其特征在于：所述步骤4中通过以下方法对下一调制电压周期内的载波进行载波周期补偿：

通过公式(2)进行PI调节和限幅处理：

其中：ΔC为PI调节器输出的补偿值，K_p为比例调节系数，K_i为积分调节系数，T_i为积分周期，

为误差累加项，i表示err₁的序号；

通过公式(3)对载波值进行限幅，限幅规则如下：

ΔC_PI＝((ΔC)<(MIN)？(MIN):((ΔC)>(MAX)？(MAX):(ΔC))) (3)

式中：MAX，MIN分别允许输出的最大和最小值，ΔC_PI为限幅后的载波补偿值。

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