CN114157213A - 一种电机控制器随机pwm方法及存储介质 - Google Patents

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汪运浩
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Abstract

本发明涉及一种电机控制器随机PWM方法及存储介质，所述方法包括以下步骤：随机化载频PWM：对电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频；随机零矢量分布PWM：在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配；随机脉冲位置PWM：脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称。通过随机化载频、随机零矢量分布PWM及随机脉冲位置PWM三种随机化方法相结合对电机控制器进行随机化PWM调制，能够实现最大程度的随机化调制，实现高次谐波在较宽频率范围内最大程度地分散，减少电磁干扰、噪声和机械振动。

Description

一种电机控制器随机PWM方法及存储介质
技术领域
本发明涉及电机控制器技术领域，特别涉及一种电机控制器随机PWM方法及存储介质。
背景技术
电动汽车中，电机控制器MCU是将高压电池的直流电逆变为三相交流电，输出转矩，驱动车前进。电机控制器采用两电平空间矢量调制(SVPWM)技术，调制后的输出相电压为高频脉冲电压，其输出包含正弦基波电压外，还包括大量的谐波。低频谐波产生转矩脉动，导致机械的振动和噪声，高频的谐波产生电磁干扰。
发明内容
为此，需要提供一种电机控制器随机PWM方法及存储介质，解决现有电机控制器载波频率调制过程中，低频谐波产生转矩脉动，导致机械的振动和噪声，高频的谐波产生电磁干扰的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种电机控制器随机PWM方法，包括以下步骤：
随机化载频PWM：对电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频；
随机零矢量分布PWM：在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7 随机分配；
随机脉冲位置PWM：脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称。
进一步优化，所述电机控制器的载波频率随着电机转速变化而变化。
进一步优化，所述步骤“对电机控制器的固定载波进行随机变频后得到调制载频”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数
Figure RE-GDA0003474987690000021
所述随机数
Figure RE-GDA0003474987690000022
为[0,1]之间的随机数；
将开关频率波动范围ΔFc乘以随机数
Figure RE-GDA0003474987690000023
加上载波频率Fc得到随机化变频后的调制载频
Figure RE-GDA0003474987690000024
进一步优化，所述步骤“在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和 T7随机分配”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数k0，所述随机数k0为[0,1]之间的随机数
根据获得的随机数k0随机分配零电压矢量的时间T0和T7得到： T0＝(1-k0)t0及T7＝k0t0，t0为零电压矢量时间。
进一步优化，所述步骤“脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM 波形与开关周期不再中心对称”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数k1，所述随机数k1为[0,1]之间的随机数；
将随机数k1作为零电压矢量的前半周期的时间T01占总时间T0的比例系数，得到零电压矢量的作用时间T0的前半周期的时间T01＝k1(1-k0)t0，后半周期的时间T02＝(1-k1)(1-k0)t0，进而得到开关周期Ts内的随机脉冲位置PWM波形。
进一步优化，所述随机算法具体为：
获得随机数Rn+1＝mod(Rn*P1+P2,65536)，Rn和Rn+1为第n次和第n+1次产生的随机数，P1和P2是两个质数，P1取值为121，P2取值为1；
获得[0,1]之间的随机数
Figure RE-GDA0003474987690000025
还提供了另一个技术方案：一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述所述电机控制器随机PWM方法。
区别于现有技术，上述技术方案，通过随机化载频、随机零矢量分布PWM 及随机脉冲位置PWM三种随机化方法相结合对电机控制器进行随机化PWM调制，能够实现最大程度的随机化调制，实现高次谐波在较宽频率范围内最大程度地分散，减少电磁干扰、噪声和机械振动。
附图说明
图1为具体实施方式所述一种电机控制器随机PWM方法的一种流程示意图；
图2为具体实施方式所述载波频率的示意图；
图3为具体实施方式所述随机脉冲位置PWM示意图；
图4为具体实施方式所述随机零矢量分布和不对称随机位置PWM的波形序列图；
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例提供了一种电机控制器随机PWM方法，包括以下步骤：
步骤S110：随机化载频PWM：对电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频；载波频率的选取是载波比、电磁噪声和控制器效率之间折中选取的，在本实施例中，采用载波频率随着电机转速的变化的变频方式选取载波频率，如图2所示的载波频率的示意图，根据电机正常工况和电机堵转工况选择相应的对载波频率变化的方案。具体的，电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频的方式为：
通过随机算法获得随机数
Figure RE-GDA0003474987690000031
所述随机数
Figure RE-GDA0003474987690000032
为[0,1]之间的随机数；
将开关频率波动范围ΔFc乘以随机数
Figure RE-GDA0003474987690000033
加上载波频率Fc得到随机化变频后的调制载频
Figure RE-GDA0003474987690000034
当电机高转速时，随机变化变载频后的载频F最大为11K，并且是随机出现的，此次IGBT载频处于热安全范围内。
步骤S120：随机零矢量分布PWM：在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配；SVPWM算法的理论基础是平均值等效原理，在开关周期内通过对基本电压矢量和零电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压相等。SVPWM算法中严格规定了零电压矢量作用时间，即零电压矢量作用时间 T0＝T7。零电压矢量对调制后的基波电压幅值没有影响，所以零电压矢量的时间分配不受任何限制，T0和T7的时间可以不相等。基于此原则，每个载波周期内，让T0和T7的时间随机分配，这就是随机零矢量分布PWM。具体的，在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配的方式为：
通过随机算法获得随机数k0，所述随机数k0为[0,1]之间的随机数；
根据获得的随机数k0随机分配零电压矢量的时间T0和T7得到： T0＝(1-k0)t0及T7＝k0t0，t0为零电压矢量时间。
步骤S130：随机脉冲位置PWM：脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称。如图3所示随机脉冲位置PWM示意图，其中εk为脉冲位置延迟系数，αk为PWM波形的占空比，Tk为某个脉冲序列的开关周期。传统的PWM波形是关于时间Tk左右对称的，当脉冲位置PWM波形与开关周期时间不再中心对称，脉冲位置εk随机化变化，此时为随机脉冲位置PWM，即为不对称随机位置PWM。具体的，脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称的方式为：
通过随机算法获得随机数k1，所述随机数k1为[0,1]之间的随机数；
将随机数k1作为零电压矢量的前半周期的时间T01占总时间T0的比例系数，得到零电压矢量的作用时间T0的前半周期的时间T01＝k1(1-k0)t0，后半周期的时间T02＝(1-k1)(1-k0)t0，进而得到开关周期Ts内的随机脉冲位置PWM波形。结合随机零矢量分布PWM，如图4所示随机零矢量分布和不对称随机位置PWM 的波形序列图。当随机零矢量分布PWM中随机数k0确定后，T7时间确定，则三相上桥臂占空比就确定了。随机脉冲位置PWM波形，相当于此时3个PWM波形A、B及C以Ts为中心，同时左右移动。如图4所示，零电压矢量作用时间为t0，其中T01和T02为T0向量前后半周期的时间。k1为零电压矢量前半周期的时间T01占T0总时间的比例系数，k1为[0,1]之间的随机数。则有T01＝k1(1-k0)t0及 T02＝(1-k1)(1-k0)t0。
其次，随机数的产生是基于数学方式，所述随机算法具体为：
获得随机数Rn+1＝mod(Rn*P1+P2,65536)，Rn和Rn+1为第n次和第n+1次产生的随机数，P1和P2是两个质数，P1取值为121，P2取值为1；
获得[0,1]之间的随机数
Figure RE-GDA0003474987690000051
在本实施例中，电机控制器的PWM调制的占空比表达式与开关周期Ts无关，因此PWM调制算法中变量X、Y、Z分别设为
Figure RE-GDA0003474987690000052
Figure RE-GDA0003474987690000053
通过推导计算6个扇区上桥臂占空比表达式，占空比Duty 表达式分为线性调制占空比表达式和过调制占空比表达式。传统的PWM产生是由底层软件控制产生时间对称的PWM波形，本发明的随机脉冲位置PWM波形不是关于时间对称，PWM波形的上升沿延迟时间Delay可以计算出来。
本实施例中的随机PWM方法，需要输出占空比信息和PWM上升沿时刻信息，占空比Duty和开关周期Ts无关，但是PWM波形的上升沿延迟时间Delay 与开关周期Ts有关。各个扇区上桥臂，线性调制和过调制占空比Duty表达式和PWM上升沿时刻Delay表达式如下表所示。
Figure RE-GDA0003474987690000054
Figure RE-GDA0003474987690000061
Figure RE-GDA0003474987690000071
随机零矢量分布和随机脉冲位置，是对零电压矢量的时间T0和T7进行随机化。调制比较低时候，零向量作用时间长，随机化明显；调制比变大时候，零电压矢量作用时间短，随机化不明显。过调制时候，零电压矢量作用时间为0，随机零电压矢量分布和随机脉冲位置失去了随机化作用，此时只有随机化载频起作用。
还提供了另一个技术方案：一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述所述电机控制器随机PWM方法。具体的包括以下步骤：
随机化载频PWM：对电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频；载波频率的选取是载波比、电磁噪声和控制器效率之间折中选取的，在本实施例中，采用载波频率随着电机转速的变化的变频方式选取载波频率，如图2所示的载波频率的示意图，根据电机正常工况和电机堵转工况选择相应的对载波频率变化的方案。具体的，电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频的方式为：
通过随机算法获得随机数
Figure RE-GDA0003474987690000081
所述随机数
Figure RE-GDA0003474987690000082
为[0,1]之间的随机数；
将开关频率波动范围ΔFc乘以随机数
Figure RE-GDA0003474987690000083
加上载波频率Fc得到随机化变频后的调制载频
Figure RE-GDA0003474987690000084
当电机高转速时，随机变化变载频后的载频F最大为11K，并且是随机出现的，此次IGBT载频处于热安全范围内。
随机零矢量分布PWM：在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7 随机分配；SVPWM算法的理论基础是平均值等效原理，在开关周期内通过对基本电压矢量和零电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压相等。SVPWM算法中严格规定了零电压矢量作用时间，即零电压矢量作用时间T0＝T7。零电压矢量对调制后的基波电压幅值没有影响，所以零电压矢量的时间分配不受任何限制，T0和T7的时间可以不相等。基于此原则，每个载波周期内，让T0和T7的时间随机分配，这就是随机零矢量分布PWM。具体的，在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配的方式为：
通过随机算法获得随机数k0，所述随机数k0为[0,1]之间的随机数；
根据获得的随机数k0随机分配零电压矢量的时间T0和T7得到： T0＝(1-k0)t0及T7＝k0t0，t0为零电压矢量时间。
随机脉冲位置PWM：脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称。如图3所示随机脉冲位置PWM示意图，其中εk为脉冲位置延迟系数，αk为PWM波形的占空比，Tk为某个脉冲序列的开关周期。传统的PWM波形是关于时间Tk左右对称的，当脉冲位置PWM波形与开关周期时间不再中心对称，脉冲位置εk随机化变化，此时为随机脉冲位置PWM，即为不对称随机位置PWM。具体的，脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称的方式为：
通过随机算法获得随机数k1，所述随机数k1为[0,1]之间的随机数；
将随机数k1作为零电压矢量的前半周期的时间T01占总时间T0的比例系数，得到零电压矢量的作用时间T0的前半周期的时间T01＝k1(1-k0)t0，后半周期的时间T02＝(1-k1)(1-k0)t0，进而得到开关周期Ts内的随机脉冲位置PWM波形。结合随机零矢量分布PWM，如图4所示随机零矢量分布和不对称随机位置PWM 的波形序列图。当随机零矢量分布PWM中随机数k0确定后，T7时间确定，则三相上桥臂占空比就确定了。随机脉冲位置PWM波形，相当于此时3个PWM波形A、B及C以Ts为中心，同时左右移动。如图4所示，零电压矢量作用时间为t0，其中T01和T02为T0向量前后半周期的时间。k1为零电压矢量前半周期的时间T01占T0总时间的比例系数，k1为[0,1]之间的随机数。则有T01＝k1(1-k0)t0及 T02＝(1-k1)(1-k0)t0。
其次，随机数的产生是基于数学方式，所述随机算法具体为：
获得随机数Rn+1＝mod(Rn*P1+P2,65536)，Rn和Rn+1为第n次和第n+1次产生的随机数，P1和P2是两个质数，P1取值为121，P2取值为1；
获得[0,1]之间的随机数
Figure RE-GDA0003474987690000091
在本实施例中，电机控制器的PWM调制的占空比表达式与开关周期Ts无关，因此PWM调制算法中变量X、Y、Z分别设为
Figure RE-GDA0003474987690000092
Figure RE-GDA0003474987690000093
通过推导计算6个扇区上桥臂占空比表达式，占空比Duty 表达式分为线性调制占空比表达式和过调制占空比表达式。传统的PWM产生是由底层软件控制产生时间对称的PWM波形，本发明的随机脉冲位置PWM波形不是关于时间对称，PWM波形的上升沿延迟时间Delay可以计算出来。
本实施例中的随机PWM方法，需要输出占空比信息和PWM上升沿时刻信息，占空比Duty和开关周期Ts无关，但是PWM波形的上升沿延迟时间Delay 与开关周期Ts有关。各个扇区上桥臂，线性调制和过调制占空比Duty表达式和PWM上升沿时刻Delay表达式如下表所示。
Figure RE-GDA0003474987690000101
Figure RE-GDA0003474987690000111
Figure RE-GDA0003474987690000121
随机零矢量分布和随机脉冲位置，是对零电压矢量的时间T0和T7进行随机化。调制比较低时候，零向量作用时间长，随机化明显；调制比变大时候，零电压矢量作用时间短，随机化不明显。过调制时候，零电压矢量作用时间为0，随机零电压矢量分布和随机脉冲位置失去了随机化作用，此时只有随机化载频起作用。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电机控制器随机PWM方法，其特征在于，包括以下步骤：
随机化载频PWM：对电机控制器的载波频率进行随机变频后得到调制载频；
随机零矢量分布PWM：在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配；
随机脉冲位置PWM：脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称。
2.根据权利要求1所述电机控制器随机PWM方法，其特征在于，所述电机控制器的载波频率随着电机转速变化而变化。
3.根据权利要求1所述电机控制器随机PWM方法，其特征在于，所述步骤“对电机控制器的固定载波进行随机变频后得到调制载频”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数
Figure FDA0003246330510000011
所述随机数
Figure FDA0003246330510000012
为[0,1]之间的随机数；
将开关频率波动范围ΔFc乘以随机数
Figure FDA0003246330510000013
加上载波频率Fc得到随机化变频后的调制载频
Figure FDA0003246330510000014
4.根据权利要求1所述电机控制器随机PWM方法，其特征在于，所述步骤“在每个载波周期内，对零电压矢量的时间T0和T7随机分配”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数k0，所述随机数k0为[0,1]之间的随机数
根据获得的随机数k0随机分配零电压矢量的时间T0和T7得到：T0＝(1-k0)t0及T7＝k0t0，t0为零电压矢量时间。
5.根据权利要求4所述电机控制器随机PWM方法，其特征在于，所述步骤“脉冲位置随机变化，电机控制器的脉冲位置PWM波形与开关周期不再中心对称”具体包括以下步骤：
通过随机算法获得随机数k1，所述随机数k1为[0,1]之间的随机数；
将随机数k1作为零电压矢量的前半周期的时间T01占总时间T0的比例系数，得到零电压矢量的作用时间T0的前半周期的时间T01＝k1(1-k0)t0，后半周期的时间T02＝(1-k1)(1-k0)t0，进而得到开关周期Ts内的随机脉冲位置PWM波形。
6.根据权利要求3-5任意一项所述电机控制器随机PWM方法，其特征在于，所述随机算法具体为：
获得随机数Rn+1＝mod(Rn*P1+P2,65536)，Rn和Rn+1为第n次和第n+1次产生的随机数，P1和P2是两个质数，P1取值为121，P2取值为1；
获得[0,1]之间的随机数
Figure FDA0003246330510000021
7.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-6任意一项所述电机控制器随机PWM方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115940685A (zh) * 2022-11-28 2023-04-07 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 三相四桥臂逆变器的三维空间矢量脉宽调制方法和***

Cited By (1)

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CN115940685A (zh) * 2022-11-28 2023-04-07 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 三相四桥臂逆变器的三维空间矢量脉宽调制方法和***

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