CN103051273B - 基于五相六线拓扑的相邻五矢量svpwm方法 - Google Patents

Abstract

基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，属于电机控制领域，本发明为解决传统的五相五线拓扑结构下的SVPWM方法控制性能变差的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一、进行SVPWM调制的五相六线拓扑中的12个功率开关管共有64种开关状态，计算所述64种开关状态对应的电压空间矢量，获取64个电压空间矢量；步骤二、判断参考电压空间矢量的位置，根据参考电压空间矢量的位置来选择五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量作为作用矢量，步骤三、计算所述作用矢量的作用时间；步骤四、根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制。

Description

基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法

技术领域

本发明涉及基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，属于电机控制领域。

背景技术

多相容错电机可以实现低压大功率，具有功率密度高、转矩波动低、容错能力强等优点，正受到越来越广泛的关注。折衷考虑成本、复杂程度以及性能，五相电机是最优的选择之一。电机控制中，忽略定子电阻，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的关系为以五相电机为例，当电动机由五相对称正弦电压供电时，合成的定子磁链幅值恒定，且以同步转速旋转。

随着电机相数的增多，电机相与相之间参数不对称的可能性增大。电机参数不对称时，传统的五相五线拓扑结构下的SVPWM方法输出的相电压中存在零序分量。由于该方法不能对零序分量独立控制，故无法输出对称的五相相电压。另外，传统的SVPWM方法利用相邻的幅值最大的两个作用矢量合成参考电压空间矢量，五相逆变器输出的相电压中存在三次、七次等低次谐波，导致控制性能变差。

发明内容

本发明目的是为了解决传统的五相五线拓扑结构下的SVPWM方法输出的相电压中存在零序分量，五相逆变器输出的相电压中存在三次、七次等低次谐波，导致控制性能变差的问题，提供了一种基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法。

本发明所述基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，所述五相六线拓扑中由12个功率开关管构成六个桥臂，其中：A相、B相、C相、D相和E相桥臂的中点分别接电机的输入端，F相桥臂的中点直接接至电机负载的中性点n，

该方法包括以下步骤：

步骤一、进行SVPWM调制的五相六线拓扑中的12个功率开关管共有64种开关状态，计算所述64种开关状态对应的电压空间矢量，获取64个电压空间矢量；

步骤二、判断参考电压空间矢量的位置，根据参考电压空间矢量的位置来选择五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量作为作用矢量，所述五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量取自64个电压空间矢量；

步骤三、计算所述作用矢量的作用时间；

步骤四、根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制。

本发明的优点：本发明提出五相六线拓扑下的相邻五矢量SVPWM方法。五相六线拓扑逆变器中，增加的一相桥臂输出接至负载的中性点，从而实现对逆变器输出相电压中的零序分量独立控制的目的，解决了传统SVPWM方法在负载不平衡条件下失效的问题。另外，将传统的相邻二矢量法直接扩展到五相六线逆变器的SVPWM算法中，每一开关状态对应的电压空间矢量在合成基波空间α1β1z内的参考电压空间矢量的同时，会在与之正交的三次谐波平面α3β3上产生伴生矢量。这正是相邻二矢量法相电压中存在三次、七次等谐波成分的原因。本发明充分利用五相六线逆变器的控制自由度，每一PWM周期选取α1β1z空间内相邻五个非零电压空间矢量作为作用矢量，同时，利用原来在α1β1z空间内相邻的五个非零作用矢量在α3β3平面上的位置关系发生变化这一特点，实现合成α1β1z空间内的参考电压空间矢量同时，作用矢量在α3β3平面的投影的矢量和为零，从而达到消除相电压中的三次、七次等谐波成分的目的，提高***的控制性能。

附图说明

图1是本发明所述基于五相六线拓扑结构示意图；

图2是64个电压空间矢量在α1β1平面上的投影示意图；

图3是逆变器64种开关状态对应的α3β3平面上的电压空间矢量图；

图4至图7是具体实施例中第1个三棱柱内可选择的四种作用矢量组合示意图；

图8是具体实施例中所选择的作用矢量在α3β3平面上的分布图；

图9是一个PWM周期内对称调制模式下桥臂开关信号波形图；

图10是基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图10说明本实施方式，本实施方式所述基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，所述五相六线拓扑中由12个功率开关管构成六个桥臂，其中：A相、B相、C相、D相和E相桥臂的中点分别接电机的输入端，F相桥臂的中点直接接至电机负载的中性点n，

该方法包括以下步骤：

步骤一、进行SVPWM调制的五相六线拓扑中的12个功率开关管共有64种开关状态，计算所述64种开关状态对应的电压空间矢量，获取64个电压空间矢量；

步骤二、判断参考电压空间矢量的位置，根据参考电压空间矢量的位置来选择五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量作为作用矢量，所述五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量取自64个电压空间矢量；

步骤三、计算所述作用矢量的作用时间；

步骤四、根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制。

五相六线拓扑逆变器中，增加的一相桥臂输出接至负载的中性点，从而实现对逆变器输出相电压中的零序分量独立控制的目的，解决了传统SVPWM方法在负载不平衡条件下失效的问题。另外，该方法采用五个非零矢量和两个零矢量作为作用矢量，能在合成参考电压空间矢量的同时，消除了逆变器输出相电压中的三次、七次等谐波成分，从而提高电机的控制效果。

具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一中获取64个电压空间矢量V_k，k＝0，1，2，...，63的过程为：

所述五相六线拓扑中由12个功率开关管构成六个桥臂，每个桥臂的开关函数为S_i，i＝A，B，C，D，E，F，第i个桥臂的上桥臂导通，记S_i＝1，第i个桥臂的下桥臂导通，记S_i＝0；

开关函数按[S_F，S_A，S_B，S_C，S_D，S_E]的顺序排列，用[S_F，S_A，S_B，S_C，S_D，S_E]构成的二进制码S_FS_AS_BS_CS_DS_E对应的十进制数值k表示开关状态，k＝0，1，2，...，63，

根据公式

$V_k=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1-k}\\ V_{\mathrm{\β}1-k}\\ V_{z-k}\\ V_{\mathrm{\α}3-k}\\ V_{\mathrm{\β}3-k}\end{array}\right]=\frac{2}{5}\left[\begin{array}{ccccc}1& \cos \mathrm{\α}& \cos 2\mathrm{\α}& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 4\mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\\ 1& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 6\mathrm{\α}& \cos 9\mathrm{\α}& \cos 12\mathrm{\α}\\ 0& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}& \sin 9\mathrm{\α}& \sin 12\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-k}\\ V_{\mathrm{Bn}-k}\\ V_{\mathrm{Cn}-k}\\ V_{\mathrm{Dn}-k}\\ V_{\mathrm{En}-k}\end{array}\right]$

得到每一个开关状态k对应的电压空间矢量V_k，

式中：V_α1-k为V_k在基波空间α1β1z中的α1轴投影，

V_β1-k为V_k在基波空间α1β1z中的β1轴投影，

V_z-k为V_k在基波空间α1β1z中的z轴投影，

V_α3-k为V_k在三次谐波空间α3β3中的α3轴投影，

V_β3-k为V_k在三次谐波空间α3β3中的β3轴投影，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{5},$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-k}\\ V_{\mathrm{Bn}-k}\\ V_{\mathrm{Cn}-k}\\ V_{\mathrm{Dn}-k}\\ V_{\mathrm{En}-k}\end{array}\right]$ 为第k个开关状态下输出的一组相电压，

z为直流母线中点，所述直流母线为五相六线拓扑的输入直流源。

图1所示的五相六线逆变器拓扑中，F相桥臂的中点接至负载的中性点。定义开关函数为S_i，某一相桥臂上桥臂导通，该桥臂开关函数S_i值为“1”，下桥臂导通，S_i值为“0”。电机负载中性点为n，直流母线中点为z，则电机某相相对于n点的电压称为相电压，相对于z点的电压称为极电压。某相极电压及相电压表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{iz}}=({2S}_i-1)*\frac{V_d}{2}\\ V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{iz}}-V_{\mathrm{zn}}\end{array}\right.$

其中：V_zn＝V_Fz，

五相六线拓扑共有2⁶＝64种开关状态，将开关函数按[S_F，S_A，S_B，S_C，S_D，S_E]的顺序排列，用[S_F，S_A，S_B，S_C，S_D，S_E]构成的二进制码对应的十进制数值k表示开关状态。五相六线拓扑具有五个控制维度，对于五相电机控制而言，逆变器的每一开关状态对应的电压空间矢量可由下式计算得到：

$V_k=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1-k}\\ V_{\mathrm{\β}1-k}\\ V_{z-k}\\ V_{\mathrm{\α}3-k}\\ V_{\mathrm{\β}3-k}\end{array}\right]=\frac{2}{5}\left[\begin{array}{ccccc}1& \cos \mathrm{\α}& \cos 2\mathrm{\α}& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 4\mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\\ 1& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 6\mathrm{\α}& \cos 9\mathrm{\α}& \cos 12\mathrm{\α}\\ 0& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}& \sin 9\mathrm{\α}& \sin 12\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-k}\\ V_{\mathrm{Bn}-k}\\ V_{\mathrm{Cn}-k}\\ V_{\mathrm{Dn}-k}\\ V_{\mathrm{En}-k}\end{array}\right].$

采用上式中的转换矩阵，相电压中的基波、零序分量及(10k±1)次谐波被映射到基波空间α1β1z空间内，(10k±3)次谐波被映射到三次谐波空间α3β3平面上。64种开关状态对应的电压空间矢量在α1β1空间及α3β3平面的投影分别如图2、图3所示。

如图2所示，依据电压空间矢量V_k在α1β1平面上的投影，可以将α1β1z空间划分为十个三棱柱，从而为判断参考电压空间矢量的位置提供依据。

具体实施方式三：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，步骤二中参考电压空间矢量的位置判断及作用矢量的选择过程为：

记参考电压空间矢量 $V_{\mathrm{refl}}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right],$

步骤21、依据电压空间矢量在α1β1平面上的投影，64个电压空间矢量将α1β1z空间划分为十个三棱柱：

电压空间矢量在α1β1平面上的投影构成十边形，该十边形的圆心角为θ，

定义θ＝[0，π/5)范围内的三棱柱为第1个三棱柱；

θ＝[π/5，2*π/5)范围内的三棱柱为第2个三棱柱；

θ＝[2*π/5，3*π/5)范围内的三棱柱为第3个三棱柱；

θ＝[3*π/5，4*π/5)范围内的三棱柱为第4个三棱柱；

θ＝[4*π/5，π)范围内的三棱柱为第5个三棱柱；

θ＝[π，6*π/5)范围内的三棱柱为第6个三棱柱；

θ＝[6*π/5，7*π/5)范围内的三棱柱为第7个三棱柱；

θ＝[7*π/5，8*π/5)范围内的三棱柱为第8个三棱柱；

θ＝[8*π/5，9*π/5)范围内的三棱柱为第9个三棱柱；

θ＝[9*π/5，2*π)范围内的三棱柱为第10个三棱柱；

步骤22、构造扇区判断函数S：

S＝sign(U₀)+4sign(U₁)+2sign(U₂)+4sign(-U₃)+4sign(-U₄)，

式中U₀、U₁、U₂、U₃和U₄为中间变量，且按 $\left\{\begin{array}{c}{U}_0=k_f{V}_{\mathrm{\β}1}^r\\ U_1=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{5}-V_{\mathrm{\β}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{5}]\\ U_2=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{10}-V_{\mathrm{\β}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{10}]\\ U_3=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{5}+V_{\mathrm{\β}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{5}]\\ U_4=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{10}+V_{\mathrm{\β}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{10}]\end{array}\right.$ 获取，

其中：k_f为系数，且式中λ为调节系数，且； $\mathrm{\λ}=2*\cos \frac{2\mathrm{\π}}{5},$

T_S为PWM周期，

V_d为直流母线电压；

步骤23、根据扇区判断函数S确定参考电压空间矢量V_ref1位于哪个三棱柱中，判断规则：

当S＝7，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第1个三棱柱中；

当S＝3，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第2个三棱柱中；

当S＝1，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第3个三棱柱中；

当S＝5，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第4个三棱柱中；

当S＝9，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第5个三棱柱中；

当S＝8，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第6个三棱柱中；

当S＝12，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第7个三棱柱中；

当S＝14，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第8个三棱柱中；

当S＝10，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第9个三棱柱中；

当S＝6，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第10个三棱柱中；

步骤24、参考电压空间矢量V_ref1对应的相电压为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Bn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Cn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Dn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{En}-\mathrm{vref}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& \frac{\sqrt{2}}{2}& 1& 0\\ \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 3\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}\\ \cos 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 6\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}\\ \cos 3\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 9\mathrm{\α}& \sin 9\mathrm{\α}\\ \cos 4\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 12\mathrm{\α}& \sin 12\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\\ 0\\ 0\end{array}\right],$

根据参考电压空间矢量V_ref1对应相电压的正负来判断其位于三棱柱的具***置；

步骤25、根据参考电压空间矢量V_ref1的具***置从64个电压空间矢量V_k中选择相邻五个非零矢量x₁、x₂、x₃、x₄和x₅，以及零矢量V₀，V₆₃作为作用矢量；所述作用矢量对应的作用时间依次为y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、t₀和t₆₃。

电机控制中，通常要求参考电压空间矢量V_ref1的零序分量为零，及逆变器输出的五相电压为对称电压。为使本发明提出的方法更具普遍性，下面以参考电压空间矢量V_ref1的零序分量为任意值说明本发明提出方法的实施方式。参考电压空间矢量V_ref1空间位置不同，所选择的作用矢量不同。64个电压空间矢量在α1β1平面上的投影如图2所示，依据电压空间矢量在α1β1平面上的投影可以将α1β1z空间划分为十个三棱柱。作用矢量选择的过程为：首先判断V_ref1位于哪个三棱柱，然后确定其在三棱柱中的位置，最后依据V_ref1的位置，选择作用矢量。

下面以V_ref1位于第1个三棱柱内为例，说明作用矢量的选取。当V_ref1位于第1个三棱柱时，依据V_ref1位置的不同，非零作用矢量的选择有四种组合，如图4至图7所示。图4所示的组合中包括非零电压空间矢量V₂₅，V₂₄，V₃₁，V₂₉，V₁₆，这五个非零电压空间矢量在α1β1z空间构成一个多面体。当V_ref1位于图4所示的组合对应的多面体内时，选择图4所示的组合包含的五个非零电压空间矢量和两个零矢量V₀，V₆₃作为作用矢量。同理，V_ref1位于其它组合对应的多面体内时，选择该组合包含的五个非零电压空间矢量和两个零矢量V₀，V₆₃作为作用矢量。第1个三棱柱内V_ref1的位置可通过判断其对应的相电压的正负得到，V_ref1位置的判断条件详见列于表1。判断V_ref1位于三棱柱内哪个多面体需要用到V_ref1对应的相电压，V_ref1对应的相电压由下式得到：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Bn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Cn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Dn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{En}-\mathrm{vref}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& \frac{\sqrt{2}}{2}& 1& 0\\ \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 3\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}\\ \cos 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 6\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}\\ \cos 3\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 9\mathrm{\α}& \sin 9\mathrm{\α}\\ \cos 4\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 12\mathrm{\α}& \sin 12\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\\ 0\\ 0\end{array}\right].$

具体实施方式四：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤25中作用时间y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、t₀和t₆₃的获取过程为：

步骤a、当V_ref1位于三棱柱中的多面体1或多面体4时，根据方式程组

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right]T_S=x_1^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_1}+x_2^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_2}+x_3^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_3}+x_4^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_4}+x_5^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_5}\\ \frac{\widehat{y_4}}{\widehat{y_1}}=\frac{\widehat{y_5}}{\widehat{y_2}}=\mathrm{\λ}\end{array}\right.$

获取作用时间估算值和

式中：表示作用矢量x₁在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₂在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₃在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₄在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₅在α1β1z空间的投影，

当V_ref1位于三棱柱中的多面体2或多面体3时，根据方式程组

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right]T_S=x_1^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_1}+x_2^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_2}+x_3^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_3}+x_4^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_4}+x_5^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{y_5}\\ \frac{\widehat{y_4}}{\widehat{y_1}+\widehat{y_3}}=\frac{\widehat{y_5}}{\widehat{y_2}}=\mathrm{\λ}\end{array}\right.$

获取作用时间估算值和

步骤b、判断t_sum＞T_S是否成立，其中t_sum为相邻五个非零矢量总作用时间，且按下式获取： $t_{\mathrm{sum}}=\widehat{y_1}+\widehat{y_2}+\widehat{y_3}+\widehat{y_4}+\widehat{y_5},$

判断结果成立，则执行步骤c；判断结果不成立，则执行步骤d；

步骤c、 $y_1=\frac{\widehat{y_1}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_2=\frac{\widehat{y_2}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_3=\frac{\widehat{y_3}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_4=\frac{\widehat{y_4}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,$ $y_5=\frac{\widehat{y_5}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,$ t₀＝t₆₃＝0；

步骤d、 $y_1=\widehat{y_1},y_2=\widehat{y_2},y_3=\widehat{y_3},y_4=\widehat{y_4},y_5=\widehat{y_5},t_0=t_{63}=\frac{T_S-t_{\mathrm{sum}}}{2}.$

给出一个具体实施例：当V_ref1位于第1个三棱柱内的第1个多面体所包围的区域时，选择非零矢量V₂₅，V₂₄，V₃₁，V₂₉，V₁₆及零矢量V₀，V₆₃作为作用矢量。矢量V₃₁在α3β3平面的投影为零，其他四个非零作用矢量在α3β3平面的投影如图8所示。用t_k表示作用矢量V_k的作用时间，即：y₁＝t₂₅，y₂＝t₂₄，y₃＝t₃₁，y₄＝t₂₉，y₅＝t₁₆，对应的五个非零作用矢量为：x₁＝V₂₅，x₂＝V₂₄，x₃＝V₃₁，x₄＝V₂₉，x₅＝V₁₆。

由图8可知，当V₂₅，V₂₄，V₂₉，V₁₆的作用时间满足表达式

$\frac{t_{16}}{t_{25}}=\frac{t_{29}}{t_{24}}=2\cos \frac{2\mathrm{\π}}{5}=0.618$ 时，

作用矢量在α3β3平面内投影的合成矢量为零，即达到消除输出相电压中的(10k±3)次谐波的目的。

故本发明中作用矢量的作用时间通过求解如下方程得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ref}1}{T}_S=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right]T_S=V_{25}^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{t_{25}}+V_{24}^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{t_{24}}+V_{31}^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{t_{31}}+V_{29}^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{t_{29}}+V_{16}^{\mathrm{\α}1\mathrm{\β}1z}\widehat{t_{16}}\\ \frac{\widehat{t_{25}}}{\widehat{t_{16}}}=\frac{\widehat{t_{24}}}{\widehat{t_{29}}}=1.618\end{array}\right.$

上述方程组中，第一行是以非零作用矢量在α1β1z平面投影的合成矢量为V_ref1T_s为约束条件，得到三个公式，第二行是以非零作用矢量在α3β3平面投影的合成矢量为零作为约束条件，得到两个公式，以上五个公式组成的方程组可解出五个变量

当t_sum＞T_S时，零矢量的作用时间t₀＝t₆₃＝0，同时将计算得到的每个作用矢量的作用时间估算值标准化后再输出， $t_{25}=\frac{\widehat{t_{25}}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,t_{24}=\frac{\widehat{t_{24}}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,t_{31}=\frac{\widehat{t_{31}}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,$ $t_{29}=\frac{\widehat{t_{29}}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,t_{16}=\frac{\widehat{t_{16}}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,$ 以最大程度减少输出相电压波形的畸变。

当t_sum≤T_S时，五个非零矢量的作用时间不做改变。零矢量的作用时间为 $t_0=t_{63}=\frac{T_S-t_{\mathrm{sum}}}{2}.$

具体实施方式五：下面结合图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，所述步骤四中根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号的规则：把一个作用矢量的作用时间一分为二，开关状态对称排布，同时以一个PWM周期内开关次数最少为目标，调整作用矢量的发送顺序，得到每一相桥臂的开关波形，

V_ref1位置的不同，选择的作用矢量不同，每一PWM周期内作用矢量的发送顺序随之变化。V_ref1位于空间不同位置时，采用对称调制模式，作用矢量的发送顺序列于表1。该调制模式下，某一PWM周期各相桥臂的开关信号如图9所示。输出对称调制可以改善相电压波形，使电机平稳运行。

根据作用矢量及作用时间，并采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制，具体参见表1所示：

表1

表1中“判断条件”列中，每行中的三个条件均是“与”的关系。

本发明提出的相邻五矢量SVPWM方法，能对输出相电压中的零序分量进行独立控制，解决了负载不平衡的问题。并且实现了合成基波空间α1β1z内参考电压矢量的同时，作用矢量在α3β3平面上的投影的合成矢量为零的目的，消除了相电压中的(10k±3)次谐波，提高了电机的控制性能。本发明易于数字实现，具有较强的实用性与创新性。

Claims (4)

1.基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，所述五相六线拓扑中由12个功率开关管构成六个桥臂，其中：A相、B相、C相、D相和E相桥臂的中点分别接电机的输入端，F相桥臂的中点直接接至电机负载的中性点n，

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、进行SVPWM调制的五相六线拓扑中的12个功率开关管共有64种开关状态，计算所述64种开关状态对应的电压空间矢量，获取64个电压空间矢量；

步骤一中获取64个电压空间矢量V_k,k＝0,1,2,...,63的过程为：

所述五相六线拓扑中由12个功率开关管构成六个桥臂，每个桥臂的开关函数为S_i,i＝A,B,C,D,E,F，第i个桥臂的上桥臂导通，记S_i＝1，第i个桥臂的下桥臂导通，记S_i＝0；

开关函数按[S_F,S_A,S_B,S_C,S_D,S_E]的顺序排列，用[S_F,S_A,S_B,S_C,S_D,S_E]构成的二进制码S_FS_AS_BS_CS_DS_E对应的十进制数值k表示开关状态，k＝0,1,2,...,63，

根据公式

$V_k=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1-k}\\ V_{\mathrm{\β}1-k}\\ V_{z-k}\\ V_{\mathrm{\α}3-k}\\ V_{\mathrm{\β}3-k}\end{array}\right]=\frac{2}{5}\left[\begin{array}{ccccc}1& \cos \mathrm{\α}& \cos 2\mathrm{\α}& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 4\mathrm{\α}\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 4\mathrm{\α}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\\ 1& \cos 3\mathrm{\α}& \cos 6\mathrm{\α}& \cos 9\mathrm{\α}& \cos 12\mathrm{\α}\\ 0& \sin 3\mathrm{\α}& \sin 6\mathrm{\α}& \sin 9\mathrm{\α}& \sin 12\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-k}\\ V_{\mathrm{Bn}-k}\\ V_{\mathrm{Cn}-k}\\ V_{\mathrm{Dn}-k}\\ V_{\mathrm{En}-k}\end{array}\right]$

得到每一个开关状态k对应的电压空间矢量V_k，

式中：V_α1-k为V_k在基波空间α1β1z中的α1轴投影，

V_β1-k为V_k在基波空间α1β1z中的β1轴投影，

V_z-k为V_k在基波空间α1β1z中的z轴投影，

V_α3-k为V_k在三次谐波空间α3β3中的α3轴投影，

V_β3-k为V_k在三次谐波空间α3β3中的β3轴投影，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{5},$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-k}\\ V_{\mathrm{Bn}-k}\\ V_{\mathrm{Cn}-k}\\ V_{\mathrm{Dn}-k}\\ V_{\mathrm{En}-k}\end{array}\right]$ 为第k个开关状态下输出的一组相电压，

z为直流母线中点，所述直流母线为五相六线拓扑的输入直流源；

步骤二、判断参考电压空间矢量的位置，根据参考电压空间矢量的位置来选择五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量作为作用矢量，所述五个相邻非零电压空间矢量及两个零矢量取自64个电压空间矢量；

步骤三、计算所述作用矢量的作用时间；

步骤四、根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制。

2.根据权利要求1所述基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，其特征在于，步骤二中参考电压空间矢量的位置判断及作用矢量的选择过程为：

记参考电压空间矢量 $V_{\mathrm{ref}1}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}1}^r\\ V_{\mathrm{\β}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right],$

步骤21、依据电压空间矢量在α1β1平面上的投影，64个电压空间矢量将α1β1z空间划分为十个三棱柱：

电压空间矢量在α1β1平面上的投影构成十边形，该十边形的圆心角为θ，

定义θ＝[0,π/5)范围内的三棱柱为第1个三棱柱；

θ＝[π/5,2*π/5)范围内的三棱柱为第2个三棱柱；

θ＝[2*π/5,3*π/5)范围内的三棱柱为第3个三棱柱；

θ＝[3*π/5,4*π/5)范围内的三棱柱为第4个三棱柱；

θ＝[4*π/5,π)范围内的三棱柱为第5个三棱柱；

θ＝[π,6*π/5)范围内的三棱柱为第6个三棱柱；

θ＝[6*π/5,7*π/5)范围内的三棱柱为第7个三棱柱；

θ＝[7*π/5,8*π/5)范围内的三棱柱为第8个三棱柱；

θ＝[8*π/5,9*π/5)范围内的三棱柱为第9个三棱柱；

θ＝[9*π/5,2*π)范围内的三棱柱为第10个三棱柱；

步骤22、构造扇区判断函数S：

S＝sign(U₀)+4sign(U₁)+2sign(U₂)+4sign(-U₃)+4sign(-U₄)，

式中U₀、U₁、U₂、U₃和U₄为中间变量，且按 $\left\{\begin{array}{c}{U}_0=k_f{V}_{\mathrm{\β}1}^r\\ U_1=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{5}-V_{\mathrm{\β}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{5}]\\ U_2=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{10}-V_{\mathrm{\β}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{10}]\\ U_3=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{5}+V_{\mathrm{\β}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{5}]\\ U_4=k_f[V_{\mathrm{\α}1}^r\cos \frac{\mathrm{\π}}{10}+V_{\mathrm{\β}1}^r\sin \frac{\mathrm{\π}}{10}]\end{array}\right\}$ 获取，

其中：k_f为系数，且 $k_f=\frac{T_s}{(1+{\mathrm{\λ}}^2)*0.6472*V_d*\sin \frac{\mathrm{\π}}{5}},$ 式中λ为调节系数，且；

$\mathrm{\λ}=2*\cos \frac{2\mathrm{\π}}{5},$

T_S为PWM周期，

V_d为直流母线电压，

$\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1(x\&GreaterEqual;0)\\ 0(x<0)\end{array}\right.;$

步骤23、根据扇区判断函数S确定参考电压空间矢量V_ref1位于哪个三棱柱中，

判断规则：

当S＝7，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第1个三棱柱中；

当S＝3，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第2个三棱柱中；

当S＝1，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第3个三棱柱中；

当S＝5，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第4个三棱柱中；

当S＝9，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第5个三棱柱中；

当S＝8，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第6个三棱柱中；

当S＝12，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第7个三棱柱中；

当S＝14，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第8个三棱柱中；

当S＝10，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第9个三棱柱中；

当S＝6，确定参考电压空间矢量V_ref1位于第10个三棱柱中；

步骤24、参考电压空间矢量V_ref1对应的相电压为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{An}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Bn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Cn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{Dn}-\mathrm{vref}1}\\ V_{\mathrm{En}-\mathrm{vref}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}1& 0& \frac{\sqrt{2}}{2}& 1& 0\\ \cos \mathrm{\&alpha;}& \sin \mathrm{\&alpha;}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 3\mathrm{\&alpha;}& \sin 3\mathrm{\&alpha;}\\ \cos 2\mathrm{\&alpha;}& \sin 2\mathrm{\&alpha;}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 6\mathrm{\&alpha;}& \sin 6\mathrm{\&alpha;}\\ \cos 3\mathrm{\&alpha;}& \sin 3\mathrm{\&alpha;}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 9\mathrm{\&alpha;}& \sin 9\mathrm{\&alpha;}\\ \cos 4\mathrm{\&alpha;}& \sin 4\mathrm{\&alpha;}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \cos 12\mathrm{\&alpha;}& \sin 12\mathrm{\&alpha;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}1}^r\\ V_{\mathrm{\&beta;}1}^r\\ V_z^r\\ 0\\ 0\end{array}\right],$

根据参考电压空间矢量V_ref1对应相电压的正负来判断其位于三棱柱的具***置；

步骤25、根据参考电压空间矢量V_ref1的具***置从64个电压空间矢量V_k中选择相邻五个非零矢量x₁、x₂、x₃、x₄和x₅，以及零矢量V₀,V₆₃作为作用矢量；所述作用矢量对应的作用时间依次为y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、t₀和t₆₃。

3.根据权利要求2所述基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，其特征在于，步骤25中作用时间y₁、y₂、y₃、y₄、y₅、t₀和t₆₃的获取过程为：

步骤a、当V_ref1位于三棱柱中的多面体1或多面体4时，根据方式程组

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}1}^r\\ V_{\mathrm{\&beta;}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right]T_S=x_1^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_1}+x_2^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_2}+x_3^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_3}+x_4^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_4}+x_5^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_5}\\ \frac{\widehat{y_4}}{\widehat{y_1}}=\frac{\widehat{y_5}}{\widehat{y_2}}=\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.$

获取作用时间估算值和

式中：表示作用矢量x₁在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₂在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₃在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₄在α1β1z空间的投影，

表示作用矢量x₅在α1β1z空间的投影，

当V_ref1位于三棱柱中的多面体2或多面体3时，根据方式程组

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}1}^r\\ V_{\mathrm{\&beta;}1}^r\\ V_z^r\end{array}\right]T_S=x_1^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_1}+x_2^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_2}+x_3^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_3}+x_4^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_4}+x_5^{\mathrm{\&alpha;}1\mathrm{\&beta;}1z}\widehat{y_5}\\ \frac{\widehat{y_4}}{\widehat{y_1}+\widehat{y_3}}=\frac{\widehat{y_5}}{\widehat{y_2}}=\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.$

获取作用时间估算值和

步骤b、判断t_sum>T_S是否成立，其中t_sum为相邻五个非零矢量总作用时间，且按下式获取： $t_{\mathrm{sum}}=\widehat{y_1}+\widehat{y_2}+\widehat{y_3}+\widehat{y_4}+\widehat{y_5},$

判断结果成立，则执行步骤c；判断结果不成立，则执行步骤d；

步骤c、 $y_1=\frac{\widehat{y_1}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_2=\frac{\widehat{y_2}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_3=\frac{\widehat{y_3}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,y_4=\frac{\widehat{y_4}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,$ $y_5=\frac{\widehat{y_5}}{t_{\mathrm{sum}}}{T}_S,t_0=t_{63}=0;$

步骤d、 $y_1=\widehat{y_1},y_2=\widehat{y_2},y_3=\widehat{y_3},y_4=\widehat{y_4},y_5=\widehat{y_5},t_0=t_{63}=\frac{T_S-t_{\mathrm{sum}}}{2}.$

4.根据权利要求3所述基于五相六线拓扑的相邻五矢量SVPWM方法，其特征在于，所述步骤四中根据作用矢量及作用时间，采用对称调制模式输出桥臂开关信号的规则：把一个作用矢量的作用时间一分为二，开关状态对称排布，同时以一个PWM周期内开关次数最少为目标，调整作用矢量的发送顺序，得到每一相桥臂的开关波形，

根据作用矢量及作用时间，并采用对称调制模式输出桥臂开关信号，实现SVPWM调制，具体参见下表所示：

上表中“判断条件”列中，每行中的三个条件均是“与”的关系。