CN110601638B - 用于电动汽车电机逆变器的pwm调制方法 - Google Patents

用于电动汽车电机逆变器的pwm调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,本方法采用NZPWM调制方法对逆变器进行PWM调制,并合理安排各扇区的参考电压矢量合成顺序和PWM脉冲作用模式;对由NZPWM调制生成的三相调制波进行修正,得到逆变器分界调制比参数,根据调制比参数分别执行NZPWM调制和SVPWM调制;当电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,采用离散PWM调制方法对逆变器进行过调制并分为两个区域,设定两个区域下边界的调制比;根据调制比分别执行两个过调制区域的离散PWM调制,得到期望的PWM波形。本方法有效降低在零矢量时的共模电压输出幅度,抑制电机轴电流幅值,提高电机轴承使用寿命,减小电机逆变***的振动和噪声输出,提升整车驾驶品质。

Description

用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域,尤其涉及一种用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法。
背景技术
通常在电动汽车的内嵌式三相永磁同步电机(PMSM)驱动逆变器调制中,使用脉冲宽度调制(PWM)策略,实现对电机定子电压空间矢量的控制。图1所示为三相逆变器的结构图,对其进行调制的PWM方法有正弦脉宽调制(SPWM)、空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)、离散PWM调制等。若定义逆变器调制比为:
MI=Vs/(0.6366UDC) (1)
其中,Vs为电机定子参考电压矢量,UDC为直流母线电压。
SPWM的调制波为三相正弦信号,其最大线性调制比为0.7854,远小于1,从而其输出电压最大值降低,输出功率峰值大大受限。SVPWM调制时最大线性调制比为0.9069,从而比SPWM具有更大的输出电压能力,输出电压提升约15.47%。另一方面,SVPWM可由SPWM经三次谐波注入得到,SVPWM的三次谐波在三相对称负载中可以互相抵消,即注入的三次谐波对输出电流没有谐波危害的负面影响,相反,SVPWM逆变***谐波性能还可以得到进一步提升。综合考虑谐波性能和输出电压能力,工程实践中,通常选择SVPWM进行逆变器调制。
图2所示为PWM调制电压矢量扇区划分和合成参考矢量的基本电压矢量图,在各基本矢量作用下,得到SVPWM调制逆变器输出的共模电压见表1,
表1:
基本矢量 V<sub>0</sub>(000) V<sub>1</sub>(100) V<sub>2</sub>(110) V<sub>3</sub>(010) V<sub>4</sub>(011) V<sub>5</sub>(001) V<sub>6</sub>(101) V<sub>7</sub>(111)
共模电压 -U<sub>DC</sub>/2 -U<sub>DC</sub>/6 U<sub>DC</sub>/6 -U<sub>DC</sub>/6 U<sub>DC</sub>/6 -U<sub>DC</sub>/6 U<sub>DC</sub>/6 U<sub>DC</sub>/2
由表1可见,最大共模电压±UDC/2出现在零矢量V7和V0处,图3示出了SVPWM调制第一扇区脉冲作用模式及输出的共模电压,其中,uao、ubo、uco为相电压,uab、ubc、uca为线电压,ucmv为共模电压。共模电压经电机内部的耦合电容会在电机的转轴上产生轴电压,同时会通过电机的转轴轴承产生轴电流,对轴承进行电腐蚀,增大轴承的磨损,减少轴承的使用寿命,且伴随有共模干扰现象,加重电机逆变***的振动和噪声输出,影响整车驾驶品质(NVH)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,本方法克服传统电机逆变器调制的缺陷,有效降低在零矢量时的共模电压输出幅度,抑制电机轴电流幅值,提高电机轴承使用寿命,减小电机逆变***的振动和噪声输出,提升整车驾驶品质。
为解决上述技术问题,本发明用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法包括如下步骤:
步骤一、设定逆变器调制比为:
MI=Vs/(0.6366UDC) (1)
其中,Vs为电机定子参考电压矢量,UDC为直流母线电压;
采用无零矢量PWM调制方法对逆变器进行PWM调制,其参考电压矢量合成选择邻近的两个非零矢量V1、V2和两个非零相反矢量V3、V6,并使其两个非零相反矢量V3和V6分别作用相同的时间来等效零矢量的作用,利用伏秒平衡原理,计算各电压矢量作用时间:
Figure GDA0002907267100000021
其中,Tz为载波周期,T1、T2、T3、T6分别为电压矢量V1、V2、V3、V6的作用时间,设定电压矢量作用顺序为V3、V2、V1、V6、V1、V2、V3,由电压矢量作用顺序得到对应的作用时间顺序为T3、T2、T1、T6、T1、T2、T3,计算U相调制波为TU=T2+T1+T6,其中T6对应零矢量时间T0/2,V相调制波为TV=T3+T2,其中T3对应零矢量时间T0/2,W相调制波为TZ=T6,其中T6对应零矢量时间T0/2,则三相调制波的有效作用时间为第一扇区三相PWM脉冲作用模式;
其中,各电压矢量分别定义为V1代表100、V2代表110、V3代表010、V4代表011、V5代表001、V6代表101;
步骤二、对由无零矢量PWM调制生成的三相调制波进行修正,设逆变器死区时间和最小脉宽时间的和为Tmin,使用Tpu=Tmin/Tz表示其标幺值,为满足共模电压输出抑制条件,对T1和T2进行约束,约束条件为T1<Tmin、T2<Tmin,得到采用无零矢量PWM调制方法中用Tpu表示的逆变器分界调制比参数为MI1和MI2,其中MI2>MI1,当调制比范围为MI1≤MI<MI2时,无零矢量PWM调制方法有效,当调制比范围为0≤MI<MI1时,采用SVPWM调制方法对逆变器进行PWM调制;
步骤三、对T1和T2进行约束后,调制第一扇区各电压矢量作用时间具有如下形式:
Figure GDA0002907267100000031
Figure GDA0002907267100000032
其中,u、u分别为两相静止坐标系电压,式(3)为参考电压矢量所处位置区域0~30°,式(4)为参考电压矢量所处位置区域30~60°,根据式(3)和式(4),结合第一扇区三相PWM脉冲作用模式,计算逆变器U相调制波为TU=T2+T1+T6、V相调制波为TV=T3+T2、W相调制波为TZ=T6
步骤四、无零矢量PWM调制方法在第一扇区的一个开关周期内形成两个相位相差180°、周期均为载波周期Tz、幅度均为1的三角调制波形,由参考电压矢量所在扇区选择两个相位相差180°的三角载波,对三相调制波进行调制,得到期望的PWM波形;
步骤五、当电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,采用60°连续调制的离散PWM调制方法对逆变器进行过调制,其零矢量选择规则为在以基本电压矢量V1、V3、V5为中心的60°扇区内选用零矢量V7,在以基本电压矢量V2、V4、V6为中心的60°扇区内选用零矢量V0,将离散PWM过调制分为两个区域,设第一过调制区下边界的调制比为MI3,第二过调制区下边界的调制比为MI4
步骤六、根据第一过调制区的定子电压矢量轨迹,在控制角αr内将超过正六边形的定子电压矢量幅度修正至正六边形,在控制角αr外不做修正,在整个周期内,保持电压相位的跟随,且控制角αr与调制比具有如下关系:
Figure GDA0002907267100000041
其中,MI为调制比;
步骤七、根据第二过调制区的定子电压矢量轨迹,在保持角αh内,电压矢量处于六边形顶点,在保持角αh外,对电压矢量角度进行修正,第一扇区相位修正为:
Figure GDA0002907267100000042
其中,θs电压矢量角度;
保持角αh与调制比具有如下关系:
Figure GDA0002907267100000043
其中,MI为调制比;
步骤八、根据式(5)和式(7),控制角αr与调制比为递减关系,保持角αh与调制比为递增关系,由式(5)和式(7)计算得到MI3和MI4的值;
步骤九、当调制比范围为MI2≤MI<MI3时,使用离散PWM调制方法对逆变器进行调制,当MI3≤MI<MI4时,使用第一过调制区的调制方法进行调制,当MI4≤MI<1时,使用第二过调制区的调制方法进行调制。
进一步,上述步骤五中,第一过调制区下边界的调制比MI3根据式(1)取
Figure GDA0002907267100000044
计算得到,第二过调制区下边界的调制比MI4根据式(7)取αh=0计算得到。
进一步,当调制比范围从0≤MI<MI1切换至MI1≤MI<MI2时,设置切换的第一滞环区域,第一滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行SVPWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs1,得到调制比MIs1=Vs1/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs2,得到调制比MIs2=Vs2/(2UDC/π);
第三步:计算第一滞环区域宽度MIs=max(MIs1,MIs2)-min(MIs1,MIs2);
第四步:计算第一滞环区域上限为MI1+MIs,第一滞环区域下限选择为MI1
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量并观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第一滞环区域上限为MI1+MIs+ΔMI,记为MI1',ΔMI为极小正数,返回第五步;
第七步:结束;
当调制比范围从MI1≤MI<MI2切换至MI2≤MI<MI3时,设置切换的第二滞环区域,第二滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行离散PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs11,得到调制比MIs11=Vs11/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs21,得到调制比MIs21=Vs21/(2UDC/π);
第三步:计算第二滞环区域宽度MIs1=max(MIs11,MIs21)-min(MIs11,MIs21);
第四步:计算第二滞环区域下限为MI2-MIs1,第二滞环区域上限选择为MI2
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第二滞环区域下限为MI2-MIs1-ΔMI1,记为MI'2,ΔMI1为极小正数,返回第五步;
第七步:结束。
进一步,设定第一滞环区域和第二滞环区域的判断条件,在第一滞环区域,当MI<MI1时,执行SVPWM调制,当MI>MI1'时,进入第二滞环区域判断;在第二滞环区域,当MI<MI'2时,执行无零矢量PWM调制,当MI>MI2时,对MI<MI3进行判断,如是执行离散PWM调制,如否,对MI<MI4进行判断,如是,执行第一过调制区的离散PWM调制,如否,执行第二过调制区的离散PWM调制。
由于本发明用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法采用了上述技术方案,即本方法采用无零矢量PWM调制方法对逆变器进行PWM调制,并合理安排各扇区的参考电压矢量合成顺序和PWM脉冲作用模式;对由无零矢量PWM调制生成的三相调制波进行修正,得到逆变器分界调制比参数,根据调制比参数分别执行无零矢量PWM调制和SVPWM调制;当电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,采用离散PWM调制方法对逆变器进行过调制并分为两个区域,设定两个区域下边界的调制比;根据调制比分别执行两个过调制区域的离散PWM调制,得到期望的PWM波形。本方法克服传统电机逆变器调制的缺陷,有效降低在零矢量时的共模电压输出幅度,抑制电机轴电流幅值,提高电机轴承使用寿命,减小电机逆变***的振动和噪声输出,提升整车驾驶品质。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明:
图1为三相逆变器的结构示意图;
图2为电机PWM调制电压矢量扇区划分和合成参考矢量示意图;
图3为SVPWM调制第一扇区脉冲作用模式及输出的共模电压示意图;
图4为本方法中无零矢量PWM调制第一扇区PWM脉冲作用模式示意图;
图5为本方法中无零矢量PWM第一扇区三角脉冲调制波形示意图;
图6为本方法中第一过调制区电压矢量轨迹示意图;
图7为本方法中第二过调制区电压矢量轨迹示意图;
图8为本方法中第一和第二过调制区的控制角/保持角与调制比MI关系示意图;
图9为本方法中第一滞环区域和第二滞环区域的判断条件框图;
图10为SPWM/SVPWM/离散PWM调制输出谐波含量对比示意图。
具体实施方式
本发明用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法包括如下步骤:
步骤一、设定逆变器调制比为:
MI=Vs/(0.6366UDC) (1)
其中,Vs为电机定子参考电压矢量,UDC为直流母线电压;
采用无零矢量PWM调制方法对逆变器进行PWM调制,其参考电压矢量合成选择邻近的两个非零矢量V1、V2和两个非零相反矢量V3、V6,并使其两个非零相反矢量V3和V6分别作用相同的时间来等效零矢量的作用,例如,如图2所示,参考电压矢量Vs在第一扇区,利用非零电压矢量V1、V2用来合成参考电压矢量Vs,矢量V3和V6分别作用相同的时间来代替零矢量;
利用伏秒平衡原理,计算各电压矢量作用时间:
Figure GDA0002907267100000071
其中,Tz为载波周期,T1、T2、T3、T6分别为电压矢量V1、V2、V3、V6的作用时间,设定电压矢量作用顺序为V3、V2、V1、V6、V1、V2、V3,由电压矢量作用顺序得到对应的作用时间顺序T3、T2、T1、T6、T1、T2、T3,计算U相调制波为TU=T2+T1+T6,其中T6对应零矢量时间T0/2),V相调制波为TV=T3+T2,其中T3对应零矢量时间T0/2,W相调制波为TZ=T6,其中T6对应零矢量时间T0/2,则三相调制波的有效作用时间为第一扇区三相PWM脉冲作用模式;
无零矢量PWM调制各扇区的参考电压矢量作用顺序如表2所示,PWM脉冲作用模式如图4所示,理论上,图4的三相脉冲安排时序,共模电压可降低至±UDC/6;
表2:
Figure GDA0002907267100000072
其中,各电压矢量分别定义为V1代表100、V2代表110、V3代表010、V4代表011、V5代表001、V6代表101;
步骤二、从图4可以看出,线电压uab、ubc存在翻转现象,当翻转之间的零电平持续时间较短时,电机端可能存在过压现象,共模电压抑制失效,特别是当***逆变器IGBT死区时间、并考虑最小脉宽时间的限制后,这种情况将会发生并恰好出现在非零电压矢量V1的作用时间T1和非零电压矢量V2的作用时间T2较小的时候,因此,对由无零矢量PWM调制生成的三相调制波进行修正,设逆变器死区时间和最小脉宽时间的和为Tmin,使用Tpu=Tmin/Tz表示其标幺值,为满足共模电压输出抑制条件,对T1和T2进行约束,约束条件为T1<Tmin、T2<Tmin,得到采用无零矢量PWM调制方法中用Tpu表示的逆变器分界调制比参数为MI1和MI2,其中MI2>MI1,当调制比范围为MI1≤MI<MI2时,无零矢量PWM调制方法有效,当调制比范围为0≤MI<MI1时,采用SVPWM调制方法对逆变器进行PWM调制;
步骤三、对T1和T2进行约束后,调制第一扇区各电压矢量作用时间具有如下形式:
Figure GDA0002907267100000081
Figure GDA0002907267100000082
其中,u、u分别为两相静止坐标系电压,式(3)为参考电压矢量所处位置区域0~30°,式(4)为参考电压矢量所处位置区域30~60°,根据式(3)和式(4),结合第一扇区三相PWM脉冲作用模式,计算逆变器U相调制波为TU=T2+T1+T6、V相调制波为TV=T3+T2、W相调制波为TZ=T6
步骤四、如图5所示,无零矢量PWM调制方法在第一扇区的一个开关周期内形成两个相位相差180°、周期均为载波周期Tz、幅度均为1的三角调制波形,由参考电压矢量所在扇区选择两个相位相差180°的三角载波,对三相调制波进行调制,得到期望的PWM波形;
图5所示为无零矢量PWM调制方法的第一扇区一个开关周期内的脉冲调制波形,其载波频率为10KHz,其中,UpDuty、VpDuty、WpDuty为逆变器上桥U、V、W三相调制波,UWTri为U、W相载波,VTri为V相载波,PWM1、PWM3、PWM5为U、V、W三相PWM脉冲;根据图4的脉冲安排方式,使用图5所示的两个三角载波对三相调制波进行调制,就可以得到期望的PWM波形;
步骤五、当电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,采用60°连续调制的离散PWM调制方法对逆变器进行过调制,其零矢量选择规则为在以基本电压矢量V1、V3、V5为中心的60°扇区内选用零矢量V7,在以基本电压矢量V2、V4、V6为中心的60°扇区内选用零矢量V0,将离散PWM过调制分为两个区域,设第一过调制区下边界的调制比为MI3,第二过调制区下边界的调制比为MI4
在电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,随着调制比的增加,离散PWM调制的电压增益特性明显优于SVPWM调制,即随着调制比的增加,离散PWM调制的电压输出线性度优于SVPWM调制,为了使在过调制区输出电压尽可能接近基波电压,且输出电压谐波尽可能小,将离散PWM过调制分为两个过调制区域,从而可对两个过调制区域分别施以不同的控制策略;
步骤六、如图6所示,根据第一过调制区的定子电压矢量轨迹,在控制角αr内将超过正六边形的定子电压矢量幅度修正至正六边形(见图中粗实线),在控制角αr外不做修正,在整个周期内,保持电压相位的跟随,且控制角αr与调制比具有如下关系:
Figure GDA0002907267100000091
其中,MI为调制比;
步骤七、如图7所示,根据第二过调制区的定子电压矢量轨迹,在保持角αh内,电压矢量处于六边形顶点,在保持角αh外,对电压矢量角度进行修正,第一扇区相位修正为:
Figure GDA0002907267100000092
其中,θs电压矢量角度;
保持角αh与调制比具有如下关系:
Figure GDA0002907267100000093
其中,MI为调制比;
步骤八、如图8所示,根据式(5)和式(7),控制角αr与调制比为递减关系,保持角αh与调制比为递增关系,由式(5)和式(7)计算得到MI3和MI4的值;
步骤九、当调制比范围为MI2≤MI<MI3时,使用离散PWM调制方法对逆变器进行调制,当MI3≤MI<MI4时,使用第一过调制区的调制方法进行调制,当MI4≤MI<1时,使用第二过调制区的调制方法进行调制。
本方法随着调制比的变化,逆变器在不同的调制策略中进行切换控制,整个调制策略形成一个连续的整体,在不同的调制比阶段,将发挥各个子调制策略的优势,消除对***影响较大的不利因素,取得电机逆变***的优化性能输出。即在调制比2段,降低共模电压,在调制比3段,降低电流谐波含量和逆变器切换损耗,在调制比4段和5段,提高电压和功率的输出能力,本方法不仅可以达到上述控制效果,还可以起到降低***共模干扰的作用。
优选的,上述步骤五中,第一过调制区下边界的调制比MI3根据式(1)取
Figure GDA0002907267100000101
计算得到,第二过调制区下边界的调制比MI4根据式(7)取αh=0计算得到。
优选的,为避免无零矢量PWM算法与其它算法之间切换的抖动,设置切换的滞环区域,降低切换损耗,当调制比范围从0≤MI<MI1切换至MI1≤MI<MI2时,设置切换的第一滞环区域,第一滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行SVPWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs1,得到调制比MIs1=Vs1/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs2,得到调制比MIs2=Vs2/(2UDC/π);
第三步:计算第一滞环区域宽度MIs=max(MIs1,MIs2)-min(MIs1,MIs2);
第四步:计算第一滞环区域上限为MI1+MIs,第一滞环区域下限选择为MI1
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量并观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第一滞环区域上限为MI1+MIs+ΔMI,记为MI1',ΔMI为极小正数,返回第五步;
第七步:结束;
当调制比范围从MI1≤MI<MI2切换至MI2≤MI<MI3时,设置切换的第二滞环区域,第二滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行离散PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs11,得到调制比MIs11=Vs11/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs21,得到调制比MIs21=Vs21/(2UDC/π);
第三步:计算第二滞环区域宽度MIs1=max(MIs11,MIs21)-min(MIs11,MIs21);
第四步:计算第二滞环区域下限为MI2-MIs1,第二滞环区域上限选择为MI2
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第二滞环区域下限为MI2-MIs1-ΔMI1,记为MI'2,ΔMI1为极小正数,返回第五步;
第七步:结束。
优选的,如图9所示,设定第一滞环区域和第二滞环区域的判断条件,在第一滞环区域,当MI<MI1时,执行SVPWM调制,当MI>MI1'时,进入第二滞环区域判断;在第二滞环区域,当MI<MI'2时,执行无零矢量PWM调制,当MI>MI2时,对MI<MI3进行判断,如是执行离散PWM调制,如否,对MI<MI4进行判断,如是,执行第一过调制区的离散PWM调制,如否,执行第二过调制区的离散PWM调制。
对于SVPWM和离散PWM调制,在载波大小相同的情况下进行逆变器中IGBT元件的开关切换损耗和输出谐波对比,在线性区SVPWM调制的开关切换次数为离散PWM调制的开关切换次数的1.5倍,但电流谐波含量SVPWM调制明显优于离散PWM调制。为了得到更优的切换损耗和谐波输出性能,且兼顾受调制比参数约束的各调制方法之间的切换,可以提高离散PWM调制的载波到1.5倍,则满足开关切换不增加切换损耗的情况下,得到输出谐波性能的提升。如图10所示为载波提高1.5倍后的SPWM/SVPWM/离散PWM随调制比MI变化的电流谐波图形,图中可以看出,相同条件下,在线性调制范围(MI=0~0.9069),SPWM调制比SVPWM调制具有更高的谐波含量,随着调制比的增加,SPWM的谐波含量越来越大,在调制比MI大于约0.68时,离散PWM调制有比SVPWM调制更低的谐波输出含量。事实上,根据电机控制器的散热能力,一般可提高载波在1.0~1.5倍之间,也可以得到相对较小的开关切换损耗,但谐波含量有些许提高,以满足逆变器的散热性能和谐波含量为准。但是,首先要满足无零矢量PWM调制与离散PWM调制切换时的调制比约束,即优先满足无零矢量PWM的上限调制比限制。
本方法用于电动汽车电机逆变驱动***中,有效降低在零矢量时的共模电压输出幅度,电机轴电流幅值得到有效抑制,NZPWM调制(无零矢量PWM)可以较好的弥补这个方面的不足,因此,本方法NZPWM调制采用其它基本矢量代替零矢量,进行零矢量替代工作。其中,NZPWM技术可以降低电机驱动***的共模电压峰值,从而降低共模电流,延长电机轴承的使用寿命,且能抑制***的共模干扰;离散PWM技术的应用,在IGBT开关切换损耗减小的同时,逆变器输出电流谐波含量明显减少;而离散PWM的过调制技术,有效的提高电机控制器输出电压约10.3%,从而其峰值功率也得到较大的提升,满足车辆瞬时的加速性能要求。

Claims (4)

1.一种用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,其特征在于本方法包括如下步骤:
步骤一、设定逆变器调制比为:
MI=Vs/(0.6366UDC) (1)
其中,Vs为电机定子参考电压矢量,UDC为直流母线电压;
采用无零矢量PWM调制方法对逆变器进行PWM调制,其参考电压矢量合成选择邻近的两个非零矢量V1、V2和两个非零相反矢量V3、V6,并使其两个非零相反矢量V3和V6分别作用相同的时间来等效零矢量的作用,利用伏秒平衡原理,计算各电压矢量作用时间:
Figure FDA0002907267090000011
其中,Tz为载波周期,T1、T2、T3、T6分别为电压矢量V1、V2、V3、V6的作用时间,设定电压矢量作用顺序为V3、V2、V1、V6、V1、V2、V3,由电压矢量作用顺序得到对应的作用时间顺序为T3、T2、T1、T6、T1、T2、T3,计算U相调制波为TU=T2+T1+T6,其中T6对应零矢量时间T0/2,V相调制波为TV=T3+T2,其中T3对应零矢量时间T0/2,W相调制波为TZ=T6,其中T6对应零矢量时间T0/2,则三相调制波的有效作用时间为第一扇区三相PWM脉冲作用模式;
其中,各电压矢量分别定义为V1代表100、V2代表110、V3代表010、V4代表011、V5代表001、V6代表101;
步骤二、对由无零矢量PWM调制生成的三相调制波进行修正,设逆变器死区时间和最小脉宽时间的和为Tmin,使用Tpu=Tmin/Tz表示其标幺值,为满足共模电压输出抑制条件,对T1和T2进行约束,约束条件为T1<Tmin、T2<Tmin,得到采用无零矢量PWM调制方法中用Tpu表示的逆变器分界调制比参数为MI1和MI2,其中MI2>MI1,当调制比范围为MI1≤MI<MI2时,无零矢量PWM调制方法有效,当调制比范围为0≤MI<MI1时,采用SVPWM调制方法对逆变器进行PWM调制;
步骤三、对T1和T2进行约束后,第一扇区各电压矢量作用时间具有如下形式:
Figure FDA0002907267090000021
Figure FDA0002907267090000022
其中,u、u分别为两相静止坐标系电压,式(3)为参考电压矢量所处位置区域0~30°,式(4)为参考电压矢量所处位置区域30~60°,根据式(3)和式(4),结合第一扇区三相PWM脉冲作用模式,计算逆变器U相调制波为TU=T2+T1+T6、V相调制波为TV=T3+T2、W相调制波为TZ=T6
步骤四、无零矢量PWM调制方法在第一扇区的一个开关周期内形成两个相位相差180°、周期均为载波周期Tz、幅度均为1的三角调制波形,由参考电压矢量所在扇区选择两个相位相差180°的三角载波,对三相调制波进行调制,得到期望的PWM波形;
步骤五、当电压矢量从线性调制区跨入过调制区后,采用60°连续调制的离散PWM调制方法对逆变器进行过调制,其零矢量选择规则为在以基本电压矢量V1、V3、V5为中心的600扇区内选用零矢量V7,在以基本电压矢量V2、V4、V6为中心的600扇区内选用零矢量V0,将离散PWM过调制分为两个区域,设第一过调制区下边界的调制比为MI3,第二过调制区下边界的调制比为MI4
步骤六、根据第一过调制区的定子电压矢量轨迹,在控制角αr内将超过正六边形的定子电压矢量幅度修正至正六边形,在控制角αr外不做修正,在整个周期内,保持电压相位的跟随,且控制角αr与调制比具有如下关系:
Figure FDA0002907267090000023
其中,MI为调制比;
步骤七、根据第二过调制区的定子电压矢量轨迹,在保持角αh内,电压矢量处于六边形顶点,在保持角αh外,对电压矢量角度进行修正,第一扇区相位修正为:
Figure FDA0002907267090000031
其中,θs电压矢量角度;
保持角αh与调制比具有如下关系:
Figure FDA0002907267090000032
其中,MI为调制比;
步骤八、根据式(5)和式(7),控制角αr与调制比为递减关系,保持角αh与调制比为递增关系,由式(5)和式(7)计算得到MI3和MI4的值;
步骤九、当调制比范围为MI2≤MI<MI3时,使用离散PWM调制方法对逆变器进行调制,当MI3≤MI<MI4时,使用第一过调制区的调制方法进行调制,当MI4≤MI<1时,使用第二过调制区的调制方法进行调制。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,其特征在于:步骤五中,第一过调制区下边界的调制比MI3根据式(1)取
Figure FDA0002907267090000033
计算得到,第二过调制区下边界的调制比MI4根据式(7)取αh=0计算得到。
3.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,其特征在于:当调制比范围从0≤MI<MI1切换至MI1≤MI<MI2时,设置切换的第一滞环区域,第一滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行SVPWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs1,得到调制比MIs1=Vs1/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs2,得到调制比MIs2=Vs2/(2UDC/π);
第三步:计算第一滞环区域宽度MIs=max(MIs1,MIs2)-min(MIs1,MIs2);
第四步:计算第一滞环区域上限为MI1+MIs,第一滞环区域下限选择为MI1
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI1,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量并观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第一滞环区域上限为MI1+MIs+ΔMI,记为MI1',ΔMI为极小正数,返回第五步;
第七步:结束;
当调制比范围从MI1≤MI<MI2切换至MI2≤MI<MI3时,设置切换的第二滞环区域,第二滞环区域按如下步骤设置:
第一步:电机转矩闭环控制并仅运行离散PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs11,得到调制比MIs11=Vs11/(2UDC/π);
第二步:电机转矩闭环控制并仅运行无零矢量PWM调制,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,记录输出电压矢量幅度最大值,记为Vs21,得到调制比MIs21=Vs21/(2UDC/π);
第三步:计算第二滞环区域宽度MIs1=max(MIs11,MIs21)-min(MIs11,MIs21);
第四步:计算第二滞环区域下限为MI2-MIs1,第二滞环区域上限选择为MI2
第五步:电机转矩闭环运行,扫描不同的速度-转矩点的组合(ω,T),使调制比为MI2,并上下拉动调制比运行,采集调制比变量观察是否有突变,若有突变,执行第六步;若无突变,执行第七步;
第六步:修正第二滞环区域下限为MI2-MIs1-ΔMI1,记为MI'2,ΔMI1为极小正数,返回第五步;
第七步:结束。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车电机逆变器的PWM调制方法,其特征在于:设定第一滞环区域和第二滞环区域的判断条件,在第一滞环区域,当MI<MI1时,执行SVPWM调制,当MI>MI′1时,进入第二滞环区域判断;在第二滞环区域,当MI<MI'2时,执行无零矢量PWM调制,当MI>MI2时,对MI<MI3进行判断,如是执行离散PWM调制,如否,对MI<MI4进行判断,如是,执行第一过调制区的离散PWM调制,如否,执行第二过调制区的离散PWM调制。
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