CN1177405C - 脉宽调制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种涉及交流和交流之间，交流和直流之间，或直流和直流之间以及用于电源或类似的电力系统的变换设备的脉宽调制方法和装置，其特征在于：包括以下步骤：产生基本载波周期T；确定变更调制区段，其长度为基本载波周期T的N倍，其中N为整数；随机产生N个基本载波周期T的变更量使得各变更量的总和为零，且各变更量不全为零；上述变更调制区段里，将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上，完成脉宽调制，本发明使整个输出电压的噪声频谱变得连续而均匀，从而较大程度地避免了和机械本身固定振动点的谐振作用，效率高而且成本低，适合于各类电机传动的逆变器应用。

Description

脉宽调制方法和装置

技术领域

本发明涉及交流和交流之间，交流和直流之间，或直流和直流之间以及用于电源或类似的电力系统的变换设备，尤其涉及一种脉宽调制方法和装置。

背景技术

变频调速技术已经广泛应用于电机控制领域。如图1所示，在动力电源和电机之间串接入逆变器可以方便地实现对电机转速、转矩等运行指标的要求，而目前最为通用的逆变器控制方法为空间电压矢量PWM控制。空间电压矢量PWM控制方法包括确定基本载波周期T；确定调制系数m；确定空间电压指令矢量的位置角度θ从而确定用于合成空间电压指令矢量V的基本电压矢量VA、VB、VZ；根据T、m、θ计算基本电压矢量分别作用的时间TA，TB、TZ；用反映基本电压矢量和作用时间的PWM信号控制逆变桥上的功率开关实现对逆变器电压输出和频率输出的控制。

以传统三相调制技术下的空间电压矢量PWM控制方法为例，说明基本载波通过开关信号发生装置23变换为PWM控制信号的过程：

如图2所示确定了确定调制系数m和空间电压指令矢量V的位置角度θ后，空间电压指令矢量V就确定。

如图1所示，同一时刻上下桥臂的开关管有一个导通而另一个关闭，则逆变桥合理的开关状态共八种。这8种开关状态对应八种基本电压矢量，空间电压指令矢量V均可由这八种基本电压矢量的一个或多个合成得到。

如图3所示，根据空间电压指令矢量V的位置角度θ可以确定合成该矢量V的非零基本电压矢量VA、VB对应为V1、V3。零矢量的特征决定了调制技术为两相调制还是三相调制。这里三相调制技术中，零矢量V01，V02共同作用的时间TZ1和TZ2之和TZ。

基本电压矢量作用的时间TA、TB、TZ由下式确定：

$\mathrm{TA}=T\×m\×\frac{2}{\sqrt{3}}\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\θ})$

$\mathrm{TB}=T\×m\×\frac{2}{\sqrt{3}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)$

          TZ＝T-TA-TB

          TZ1＝TZ2＝0.5TZ

根据当前的基本电压矢量和其各自作用时间可以获得PWM波，如图4所示，此PWM波即为三相电压A、B、C的脉冲输出波形。该波形为图1中开关信号发生装置23的输出，以提供六路功率开关的驱动信号，从而实现对逆变器电压输出和频率输出的控制。

在采用以上传统的空间电压矢量PWM控制方法时，由PWM逆变器装置驱动交流电机，输出电压所含的高次谐波会不可避免地产生噪声，并且可能和交流电机本身固定振动频率点谐振，使得机械振动和噪声加剧。

由于传统的空间电压矢量PWM控制方法，无论是三相调制技术还是两相调制技术，基本载波周期T一旦确定下来，每个PWM调制周期时间就随之固定。这样，所产生的噪声是一系列固定在较窄频带上能量的表现，如图9所示，噪声功率集中分布在以基本载波周期T为整数倍的频带区域内，这样在人耳听觉敏感的频带内出现集中的噪声能量，使得噪声尖锐且以基本载波周期T为整数倍的频带区域附近的EMI指标变差。

已经有一些方法应用于噪声的抑制，如：改变电机设计、控制系统谐振的频率点、提高载波等等，但这些方法或者是提高了设备成本，特别是在系统构造完成之后；或者是对功率开关提出更高要求，并且带来开关损耗增加、温升变大等不利因素。

还有一些是调整脉冲发生的位置，使输出电压的高次谐波成分的频率在预定频率范围内被分散，并且使输出电压的发生定时随时间而变化，这种通过改变脉冲发生位置的方法也有一定的局限性，比如随着当脉宽调制的程度加深，可以用来调制脉冲位置的区域就变得越来越窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效且成本低的脉宽调制方法和装置。

本发明所采用的方法为：这种脉宽调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)产生基本载波周期T；

2)确定变更调制区段，其长度为基本载波周期T的N倍，其中N为整数；

3)随机产生N个基本载波周期T的变更量使得各变更量的总和为零，且各变更量不全为零；

4)上述变更调制区段里，从所述N个变更量中分别选出最大值、最小值；该最大值和最小值将所述的变更调制区段分为一个、两个或三个单调区间；在上述每个单调区间内，对各变更量进行单调性排序；再将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上，完成脉宽调制；

所述变更调制区段长度的K倍为一个变更调制周期，其中K为整数，根据该变更调制周期对基本载波进行周期性调节；

所述变更调制区段的大小在8毫秒至16毫秒之间；

所述N个基本载波周期T的变更量，是由随机产生的若干个变更量中选择出的N个变更量组成；

所述的基本载波周期T变更量的调整范围在ΔT_min与ΔT_max之间：

    ΔT_max＝+|P_t|*T；

    ΔT_min＝-|P_t|*T，其中，P_t为变更程度系数，-1＜P_t＜1，T为基本载波周期；

所述的随机产生是指采用如下控制结构的随机产生计算函数：

    X_i+1＝29*X_i+37

    ΔT(k)∈{MOD(X_i/(N+1))*T*P_t/N}

    其中MOD为取除法的余数，i为正整数，ΔT(k)中的k为1至N闭区间中的整数。

这种应用上述脉宽调制方法的脉宽调制装置，包括：

基本载波发生装置(24)、开关信号发生装置(23)，其特征在于，还包括：变更量产生装置(25)，变更量叠加装置(27)；

所述基本载波发生装置(24)产生脉宽调制信号的基本载波周期T并传送到所述变更量叠加装置(27)，所述变更量产生装置(25)产生若干组每组N个不全为零但总和为零的变更量ΔT(k)并传送到所述变更量叠加装置(27)；所述变更量叠加装置(27)通过对每一基本载波周期T进行脉宽调制将所述变更量ΔT(k)分别叠加到所述基本载波周期T上，使得调制后的载波周期为T+ΔT(k)；所述变更量叠加装置(27)将形成调制后的载波输出到所述开关信号发生装置(23)，由所述开关信号发生装置(23)输出功率开关驱动信号。

本发明的有益效果为：在本发明中，对于具有基本载波周期T的脉宽调制信号的载波周期进行变更，各脉宽调制信号的载波周期相对于基本载波周期T的变更量限于调整范围内，且在一个为基本载波周期T整数倍的变更调制区段内，各变更量的总和为零，这样，可以通过定时按照一规律随机函数的输出，调整载波周期的大小，使得在每一段可控的变更调制区段内，输出电压矢量的平均值不变，平均载波周期保持基本载波周期T不变，平均功率开关损耗不变，而输出电压的噪声频谱分布发生变化，改变了原有传统PWM脉宽调制技术下输出电压频谱的表现，噪声谐波能量不再集中分布在和载波频率成整数倍的频带内，而是整个输出电压的噪声频谱变得连续而均匀，从而较大程度地避免了和机械本身固定振动点的谐振作用，并且使可闻的噪声能量在一定范围内被平均化，从而达到保证电机平稳行状态下的音调调整和噪声抑制，本发明无需对传动系统中的硬件做改动，不会额外带来功率开关损耗的增加，且实用过程中电机运行稳定，克服了因载波周期变换带来的基波电压失真，逆变器输出导致电机运行振荡的问题，因此，本发明效率高且成本低，适合于各类电机传动的逆变器应用。

附图说明

图1为一个由逆变器控制的电机调速系统示意图；

图2为开关状态和基本矢量电压的对应关系示意图；

图3为用于合成电压指令矢量的非零基本电压矢量和电压指令作用区间的关系示意图；

图4为未调整载波时的三相电压波形示意图；

图5为应用本发明的逆变器控制的电机调速系统示意图；

图6为本发明中几个变更调制周期内，载波周期变更的表现示意图；

图7为本发明载波周期变化的三相输出电压波形示意图；

图8为本发明中调制波波形示意图；

图9为传统的调制技术下输出电压的频谱示意图；

图10为本发明输出电压的频谱示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

根据图5、图6和图7，应用本发明的逆变器控制的电机调速系统，如图5所示，包括基本载波发生装置24和开关信号发生装置23，基本载波发生装置24确定脉宽调制信号的基本载波周期T，开关信号发生装置23输出功率开关驱动信号，基本载波发生装置24、变更量产生装置25和变更量叠加装置27构成电压矢量控制装置，整流模块21、逆变电路22、电压矢量控制装置、和开关信号发生装置23构成逆变器，对三相电源1进行逆变处理，控制三相交流电机3，其中变更量产生装置25用于产生若干组每组N个不全为零但总和为零的变更量ΔT(k)，变更量叠加装置27将上述变更量ΔT(k)分别叠加到基本载波周期T上，该装置对每一基本载波周期T进行脉宽调制，使得调制后的载波周期为T+ΔT(k)，形成调制后的载波输出到开关信号发生装置23，开关信号发生装置23输出的驱动信号a、a’、b、b’、c、c’用以控制六个功率开关管S1～S6的导通和关闭，从而控制三相输出电压A、B、C。

在本发明中，对于由基本载波发生装置24确定脉宽调制信号的基本载波周期T，脉宽调制信号的载波周期进行变更时，确定变更调制区段，其长度为基本载波周期T的N倍，其中N为整数，随机产生N个基本载波周期T的变更量使得各变更量的总和为零，且各变更量不全为零，在上述变更调制区段里，将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上，在实际应用中，变更调制区段长度的K倍为一个变更调制周期，其中K为整数，根据该变更调制周期对基本载波进行周期性调节。

在本发明中，基本载波周期T变更量的调整范围在ΔT_min与ΔT_max之间：

    ΔT_max＝+|P_t|*T；

    ΔT_min＝-|P_t|*T，其中，P_t为变更程度系数，-1＜P_t＜1为(-1，1)开区间的有理数，T为基本载波周期；

调制后的脉宽调制载波周期为T+ΔT(k)，在确定了脉宽调制载波周期的基础上，通过变更量产生装置25和变更量叠加装置27将这个变更结果传递至开关信号发生装置23，确定基本矢量TA’、TB’、TZ’，控制三相输出电压A、B、C。

一个变更调制周期设定为变更调制区段NT的K倍，其中K为整数，各载波周期为T+ΔT(k)，ΔT(k)为各载波周期相对于基本载波周期T的变更量，各变更量的累加和为0，且各变更量不全为零；其中，N个基本载波周期T的变更量，是由随机产生的若干个变更量中选择出的N个变更量组成，其具体方法为：产生所述N个变更量后，从中分别选出最大值、最小值；该最大值和最小值将所述的变更区段分为一个、两个或三个单调区间；在上述每个单调区间内，对各变更量进行单调性排序；再将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上。

随机计算函数可采用如下的控制结构：

    X_i+1＝29*X_i+37

    ΔT(k)∈{±MOD(X_i/(N+1))*T*P_t/N}

其中，MOD为取除法的余数，i为正整数。ΔT(k)中的k为1至N闭区间中的整数。

经随机计算可得ΔT(1)、ΔT(2)....ΔT(N)，每经过变更调制周期KNT，均重复执行上述计算，依次类推。

一般来说，变更调制区段的大小在8毫秒至16毫秒之间，现设P_t＝0.1，N＝64，K＝1，基本载波周期T为0.2mS，在这里变更调制区段为12.8毫秒，经过几个变更调制周期，载波周期变更的表现如图6所示，载波周期的各变更量的值在发生的变更量最大值与最小值之间按变更顺序呈现为单调变化状态，在发生的变更量最小值a2点之后，对脉宽调制信号的变更在到达发生的变更量最大值a3点之前，脉宽调制信号的P_t值始终保持不减小趋势，即相应脉宽调制信号的ΔT在到达最大值之前始终保持不减小趋势；同理，在发生的变更量最大值a3点之后，对脉宽调制信号的变更在到达发生的变更量最小值a4点之前，脉宽调制信号的P_t值始终保持不增大趋势，即相应脉宽调制信号的ΔT在到达最小值之前始终保持不增大趋势。

如图7显示相邻两个载波周期变化的三相输出电压波形，其中右部为经过载波变更调制的载波周期T，图8为采用本发明后其中两相PWM输出电压在带宽为500HZ滤波后的调制波表现，可以看出调制波波形对称且失真度小，避免了因载波周期变换带来的调制波失真而导致电机运行振荡的问题。

图9和图10分别反映了传统的调制技术下输出电压的频谱示意图以及本发明输出电压的频谱示意图，显示本发明使集中于载波整数倍带宽内的噪声能量离散化，整个噪声频谱变得均匀而连续，对输出电压噪声频谱，以及在电机上所体现的运行平稳度，音调表现等会产生良好的效果。

Claims (7)

1.一种脉宽调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)产生基本载波周期T；

2)确定变更调制区段，其长度为基本载波周期T的N倍，其中N为整数；

3)随机产生N个基本载波周期T的变更量使得各变更量的总和为零，且各变更量不全为零；

4)在上述变更调制区段里，从所述N个变更量中分别选出最大值、最小值；该最大值和最小值将所述的变更调制区段分为一个、两个或三个单调区间；在上述每个单调区间内，对各变更量进行单调性排序；再将各变更量依次叠加到N个基本载波周期T上，完成脉宽调制。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制方法，其特征在于：所述变更调制区段长度的K倍为一个变更调制周期，其中K为整数，根据该变更调制周期对基本载波进行周期性调节。

3.根据权利要求1所述的脉宽调制方法，其特征在于：所述变更调制区段的大小在8毫秒至16毫秒之间。

4.根据权利要求1所述的脉宽调制方法，其特征在于：所述N个基本载波周期T的变更量，是由随机产生的若干个变更量中选择出的N个变更量组成。

5.根据权利要求1或4所述的脉宽调制方法，其特征在于：所述的基本载波周期T变更量的调整范围在ΔT_min与ΔT_max之间：

ΔT_max＝+|P_t|*T；

ΔT_min＝-|P_t|*T，其中，P_t为变更程度系数，-1＜P_t＜1，T为基本载波周期。

6.根据权利要求1或4所述的脉宽调制方法，其特征在于：所述的随机产生是指采用如下控制结构的随机产生计算函数：

X_i+1＝29*X_i+37

ΔT(k)∈{MOD(X_i/(N+1))*T*P_t/N}

其中MOD为取除法的余数，ΔT(k)中的k为1至N闭区间中的整数，P_t为变更程度系数，-1＜P_t＜1，X_i为自然数，i为正整数，当i＝1时，X_i取任一质数。

7.一种应用权利要求1所述的脉宽调制方法的脉宽调制装置，包括：

基本载波发生装置(24)、开关信号发生装置(23)，其特征在于，还包括：变更量产生装置(25)，变更量叠加装置(27)；

所述基本载波发生装置(24)产生脉宽调制信号的基本载波周期T并传送到所述变更量叠加装置(27)，所述变更量产生装置(25)产生若干组每组N个不全为零但总和为零的变更量ΔT(k)并传送到所述变更量叠加装置(27)；所述变更量叠加装置(27)通过对每一基本载波周期T进行脉宽调制将所述变更量ΔT(k)分别叠加到所述基本载波周期T上，使得调制后的载波周期为T+ΔT(k)；所述变更量叠加装置(27)将形成调制后的载波输出到所述开关信号发生装置(23)，由所述开关信号发生装置(23)输出功率开关驱动信号。

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