CN110768605A - 一种svpwm调制方法、装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种SVPWM调制方法、装置及***。其中SVPWM调制方法包括步骤：采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到电压U_{α_n}、U_{β_n}；通过电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中电压矢量各相的作用时间；根据电压矢量各相的作用时间计算PWM中电压矢量各相的占空比，得到控制三相电机的PWM波。本发明提出的SVPWM调制方法可以直接计算三相PWM波中各相的导通时间，不需要先计算出扇形区中与两个相邻的基本矢量Vk和Vk+1对应的导通时间Tk和Tk+1以及与零矢量对应的开关时间T0，再进行时间分配和重构，极大地降低了SVPWM算法运行的时间。

Description

一种SVPWM调制方法、装置及***

技术领域

本发明实施例涉及电机控制技术，尤其涉及一种SVPWM调制方法、装置及***。

背景技术

车用电机***中，高压供电电源为直流电源，而动力电机一般采用永磁同步电机，因此需要使用逆变器将直流电转换为交流电来驱动动力电机。其中PWM调制技术是其中的一个关键技术。PWM技术的基本原理是电压冲量等效原理。

SVPWM(Space Vetor Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)技术的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，可以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变***和交流电机看作一个整体来考虑，理论模型比较简单，便于数字化实现。

但SVPWM算法仍存在以下缺陷：实现较为繁琐，计算过程中需进行大量的乘除法运算，仍占用较多的芯片资源，不利于逆变器提高载波频率，改善控制效果；传统SVPWM算法仅能实现六边扇形区域内PWM信号调制，直流母线电压利用率低。

发明内容

本发明提供一种SVPWM调制方法、装置及***，以达到简化PWM控制方法，提高直流母线电压利用率的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种SVPWM调制方法，采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到所述电压U_{α_n}、U_{β_n}；通过所述电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中所述电压矢量各相的作用时间；根据所述电压矢量各相的作用时间计算PWM中所述电压矢量各相的占空比，得到控制所述三相电机的PWM波。

第二方面，本发明实施例还提供了一种SVPWM调制装置，包括：

扇区判断模块，用于采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到所述电压U_{α_n}、U_{β_n}；时间计算模块：用于通过所述电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中所述电压矢量各相的作用时间；PWM模块：用于根据所述电压矢量各相的作用时间计算PWM中所述电压矢量各相的占空比，得到控制所述三相电机的PWM波。

第三方面，本发明实施例还提供了一种SVPWM调制***，包括本发明实施例记载的调制装置，还包括直流电源、逆变电路和三相电机，所述直流电源通过所述逆变电路为所述三相电机供电，所述调制装置用于生成控制所述三相电机的PWM波。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的SVPWM调制方法采用经过标幺化的，位于两相静止坐标系中的电压U_α、U_β判断三相电机电压矢量所处的扇区，并直接计算三相PWM波中各相的导通时间，不需要先计算出扇形区中与两个相邻的基本矢量Vk和Vk+1对应的导通时间Tk和Tk+1以及与零矢量对应的开关时间T0，再进行时间分配和重构，极大地降低了SVPWM算法运行时间，进而可以提高开关管的载波频率，使三相电机的电压旋转平面更加接近圆形，提高三相电机输出电压的整体效果。基于通过本发明提出的调制方法计算出的导通时间，逆变电路输出的电压幅值范围在

至2Udc/3之间，直流电压利用率较高。

附图说明

图1是实施例一中的SVPWM调制方法流程图；

图2是实施例一中的扇形区示意图；

图3是实施例二中的SVPWM调制装置结构图；

图4是实施例三中的SVPWM调制***结构图；

图5是实施例三中的另一种SVPWM调制***结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是实施例一中的SVPWM调制方法流程图，参考图1，本实施例提出一种SVPWM调制方法，可适用于三相电机的控制，使三相电机获得理想圆形磁链轨迹，该方法可以由SVPWM调制装置执行，该装置可采用软件的方式实现，该装置可配置于电子设备中，例如电机控制器中，该方法包括步骤：

S1.采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到电压U_{α_n}、U_{β_n}。

本步骤中，标幺化采用的公式为：

其中，U_dc为母线电压。

本步骤中，可以通过三相电机的电流信息推导得出电压U_α、U_β，也可以通过设定的电流值推导出压U_α、U_β，具体的，首先获取三相电机的三相电流值，将三相电流值通过Clark变换转换到两相静止坐标系中，可选的，可以通过PID控制器调制三相电机的电流，并输出对应的电压值U_α、U_β。

可选的，将三相电流值通过Clark变换转换到两相静止坐标系中后，还可以再通过Park变换将两相电流转换至两相转子坐标系中，通过PID控制器计算与两相转子坐标系中电流对应的电压值，再利用上述电压值，通过逆Park变换得到电压值U_α、U_β。

与三相电机相适配的逆变电路共有三个桥臂，每个桥臂包含上下两个开关管，将三个桥臂依次编号为S_a，S_b，S_c，若桥臂的上开关管导通，下开关管闭合时，则将该桥臂的状态记为1，否则记为0，则三个桥臂的状态组合共有八个，图2是实施例一中的扇形区示意图，参考图2，状态包括六个非零状态V1(100)、V2(110)、V3(010)、V4(011)、V5(001)、V6(101)，两个零状态V0(000)、V7(111)。按逆时针顺序，V1和V6之间共包含I、II、III、IV、V、VI六个扇区。记三相电机的三个电压空间矢量为U_A(t)、U_B(t)和U_C(t)，结合桥臂状态，当S_a的状态为1时，U_A(t)的电压与母线电压U_dc相同，当S_b的状态为1时，U_B(t)的电压与母线电压U_dc相同，当S_c的状态为1时，U_C(t)的电压与母线电压U_dc相同，当S_a的状态为0时，U_A(t)的电压为零，当S_b的状态为0时，U_B(t)的电压为零，当S_c的状态为0时，U_C(t)的电压为零。结合上述内容可将如下三相电压矢量与合成矢量的关系式进行改写，

改写后的关系式为

参考上式，可得出由电压空间矢量构成的扇形区示意图，即图2。

结合图2，本步骤中通过两相静止坐标系中的电压与非零状态矢量的模长2U_dc/3的比值进行标幺化，对给定电压矢量与直流母线电压关系进行解耦，确保无论母线电压如何变化，实际输出的等效电压均与给定电压一致。

具体的，通过电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区采用的方法为：

当U_{β_n}大于零，U_{α_n}大于

时，电压矢量处在I扇区。

当U_{β_n}大于零，U_{α_n}小于

且大于

时，电压矢量处在II扇区。

当U_{β_n}大于零，U_{α_n}小于等于

时，电压矢量处在III扇区。

当U_{β_n}小于等于零，U_{α_n}大于

时，电压矢量处在VI扇区。

当U_{β_n}小于等于零，U_{α_n}小于

且大于

时，电压矢量处在V扇区。

当U_{β_n}小于等于零，U_{α_n}小于等于

时，电压矢量处在IV扇区。

S2.通过电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中电压矢量各相的作用时间。

具体的，当电压矢量处在I扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

当电压矢量处在II扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：T_a＝2*U_{α_n}。

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

当电压矢量处在III扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

当电压矢量处在IV扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

当电压矢量处在V扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：T_a＝2*U_{α_n}。

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

当电压矢量处在VI扇区时，计算导通时间采用的公式为：

S_a中开关管导通的时间T_a为：

S_b中开关管导通的时间T_b为：

S_c中开关管导通的时间T_c为：

本步骤中，直接计算三相PWM波中各相的导通时间，不需要先计算出扇形区中与两个相邻的基本矢量Vk和Vk+1对应的导通时间Tk和Tk+1以及与零矢量对应的开关时间T0，再进行时间分配和重构，极大地降低了SVPWM算法运行时间。

S3.根据电压矢量各相的作用时间计算PWM中电压矢量各相的占空比，得到控制三相电机的PWM波。

具体的，本步骤中电压矢量各相导通占空比的计算公式为：

Duty_a＝T_a*0.5+0.5

Duty_b＝T_b*0.5+0.5

Duty_c＝T_c*0.5+0.5

优选的，步骤S2，通过电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中电压矢量各相的作用时间，还包括：

设定最大时间阈值和最小时间阈值；当三相电机电压矢量一相的作用时间大于最大时间阈值时，三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为最大时间阈值；当三相电机电压矢量一相的作用时间小于最小时间阈值时，三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为最小时间阈值。

结合导通时间的计算公式，设定最大时间阈值为1，最小时间阈值为-1，当导通时间大于1时，导通时间置为1，当导通时间小于-1时，导通时间置为-1，当导通时间小于1大于-1时，导通时间保持不变。

优选的，步骤S3，根据电压矢量各相的作用时间计算PWM中电压矢量各相的占空比，得到控制三相电机的PWM波，还包括：

设定最大占空比和最小占空比；当PWM中电压矢量一相的占空比大于最大占空比时，PWM中电压矢量一相的占空比的取值为最大占空比；当PWM中电压矢量一相的占空比小于最小占空比时，PWM中电压矢量一相的占空比的取值为最小占空比。

本步骤中，最大占空比和最小占空比的具体数值由采用的开关管的特征确定。示例性的，当选用IGBT器件时，最小占空比应大于2％，最大占空比应小于98％，最短导通时间应大于2us。

本实施例提出的SVPWM调制方法，计算过程简单，极大地降低了SVPWM算法运行时间，进而可以提高开关管的载波频率，使电压旋转平面更加接近圆形。通过本实施例提出的SVPWM调制方法，逆变电路输出的电压幅值范围在

至2Udc/3之间，直流电压利用率较高。

实施例二

图3是实施例二中的SVPWM调制装置结构图，参考图3，本实施例提出一种SVPWM调制装置，包括扇区判断模块1，用于采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到电压U_{α_n}、U_{β_n}。时间计算模块2：用于通过电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中电压矢量各相的作用时间。PWM模块：根据电压矢量各相的作用时间计算PWM中电压矢量各相的占空比，得到控制三相电机的PWM波。

具体的，时间计算模块2还用于：设定最大时间阈值和最小时间阈值；当三相电机电压矢量一相的作用时间大于最大时间阈值时，三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为所述最大时间阈值；当三相电机电压矢量一相的作用时间小于最小时间阈值时，三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为最小时间阈值。

PWM模块还用于：设定最大占空比和最小占空比；当PWM中电压矢量一相的占空比大于最大占空比时，PWM中电压矢量一相的占空比的取值为最大占空比；当PWM中电压矢量一相的占空比小于最小占空比时，PWM中电压矢量一相的占空比的取值为最小占空比。

本发明实施例所提供的SVPWM调制装置可执行本发明实施例一所提供的任意SVPWM调制方法，具备执行方法相应的有益效果。

实施例三

图4是实施例三中的SVPWM调制***结构图，参考图4，本实施例提出一种SVPWM调制***，包括SVPWM调制装置100，SVPWM调制装置100可执行本发明实施例一所提供的任意SVPWM调制方法，还包括直流电源200、逆变电路300和三相电机400，直流电源200通过逆变电路300为三相电机400供电，SVPWM调制装置100用于生成控制三相电机的PWM波。

图5是实施例三中的另一种SVPWM调制***结构图，参考图5，可选的，调制***还包括ADC采样装置500，ADC采样装置500用于采集三相电机400的电流信息，并将电流信息装换为两相静止坐标系中的电压U_α、U_β，优选的，ADC采样装置500将三相电流值通过Clark变换转换到两相静止坐标系中后，再通过Park变换将两相电流转换至两相转子坐标系中，通过PID控制器计算与两相转子坐标系中与转矩电流对应的电压值U_q，与励磁电流对应的电压值U_d，再利用上述电压值，通过逆Park变换得到电压值U_α、U_β。可选的，调制***还包括PID控制器600，PID控制器600用于调节两相转子坐标系中的转矩电流和励磁电流，并输出相应的转矩电压值U_q和励磁电压值U_d。

本实施例提出的SVPWM调制***，可以快速的生成用于控制三相电机400的PWM波，同时生成的PWM波可以使逆变电路300中的开关管具有较高的载波频率，使电压旋转平面更加接近圆形，从而使输出电压波形尽可能接近于理想的正弦波。本实施例提出的SVPWM调制***中，逆变电路300输出的电压幅值范围在

至2U_dc/3之间，可以减小直流电源200向三相电机400供电时产生的电能损耗。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种SVPWM调制方法，其特征在于，

采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到所述电压U_{α_n}、U_{β_n}；

通过所述电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中所述电压矢量各相的作用时间；

根据所述电压矢量各相的作用时间计算PWM中所述电压矢量各相的占空比，得到控制所述三相电机的PWM波。

2.如权利要求1所述的调制方法，其特征在于，通过所述电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中所述电压矢量各相的作用时间，还包括：

设定最大时间阈值和最小时间阈值；

当所述三相电机电压矢量一相的作用时间大于所述最大时间阈值时，所述三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为所述最大时间阈值；

当所述三相电机电压矢量一相的作用时间小于所述最小时间阈值时，所述三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为所述最小时间阈值。

3.如权利要求1所述的调制方法，其特征在于，根据所述电压矢量各相的作用时间计算PWM中所述电压矢量各相的占空比，得到控制所述三相电机的PWM波，还包括：

设定最大占空比和最小占空比；

当所述PWM中电压矢量一相的占空比大于所述最大占空比时，所述PWM中电压矢量一相的占空比的取值为所述最大占空比；

当所述PWM中电压矢量一相的占空比小于所述最小占空比时，所述PWM中电压矢量一相的占空比的取值为所述最小占空比。

4.一种SVPWM调制装置，其特征在于，包括：

扇区判断模块，用于采用电压U_{α_n}、U_{β_n}判断三相电机电压矢量所处的扇区，其中通过母线电压对两相静止坐标系中的电压U_α、U_β进行标幺化，得到所述电压U_{α_n}、U_{β_n}；

时间计算模块：用于通过所述电压U_{α_n}、U_{β_n}，判定每个扇区中所述电压矢量各相的作用时间；

PWM模块：用于根据所述电压矢量各相的作用时间计算PWM中所述电压矢量各相的占空比，得到控制所述三相电机的PWM波。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述时间计算模块还用于：

设定最大时间阈值和最小时间阈值；

当所述三相电机电压矢量一相的作用时间大于所述最大时间阈值时，所述三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为所述最大时间阈值；

当所述三相电机电压矢量一相的作用时间小于所述最小时间阈值时，所述三相电机电压矢量一相的作用时间的取值为所述最小时间阈值。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述PWM模块还用于：

设定最大占空比和最小占空比；

当所述PWM中电压矢量一相的占空比大于所述最大占空比时，所述PWM中电压矢量一相的占空比的取值为所述最大占空比；

当所述PWM中电压矢量一相的占空比小于所述最小占空比时，所述PWM中电压矢量一相的占空比的取值为所述最小占空比。

7.一种SVPWM调制***，其特征在于，包括权利要求4至6所述任一的调制装置，还包括直流电源、逆变电路和三相电机，所述直流电源通过所述逆变电路为所述三相电机供电，所述调制装置用于生成控制所述三相电机的PWM波。

8.如权利要求7所述的***，其特征在于，还包括ADC采样装置，所述ADC采样装置用于采集所述三相电机的电流信息，并利用所述电流信息通过计算得到两相静止坐标系中的电压U_α、U_β。

Images