一種低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法
2023-06-30 07:23:16
一種低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法
【專利摘要】本發明公開了一種低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其步驟為：（1）在離線狀態下，以消除特定次電流諧波為目標，採用優化算法以調製比為變量進行計算，計算出每種分頻數下對應的開關角；（2）對計算出來的開關角提出了評判和取捨原則：如得到的定子磁鏈形狀為規則的6邊形或18邊形或30邊形，即邊形數相差12時則採納，否則摒棄；（3）將與調製比相對應的開關角按順序存儲於硬體中固定位置或進行曲線擬合得到調製比與開關角的對應關係；（4）系統實際運行過程中，根據調製比和分頻數進行查表或計算得到各個開關角。本發明具有能有效消除特定次諧波以降低系統噪聲和轉矩脈動，同時可極大提高了系統的動態響應性等優點。
【專利說明】一種低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到交流傳動系統領域，特指一種適用於交流傳動系統的低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法。
【背景技術】
[0002]交流傳動系統是指以交流電機為控制對象，對電機的輸出轉矩和轉速進行調節的新型傳動系統。與直流傳動系統相比，交流傳動系統具有良好的牽引性能，功率因素高，體積小，重量輕，運行可靠。交流傳動系統正逐步取代直流傳動系統，廣泛應用工業生產，國民生活和國家國防的各個領域。
[0003]交流傳動系統一般由控制系統、主迴路和控制對象等構成,其中主迴路包括直流母線，直流支撐電容，以及由功率開關半導體器件組成的變流器；控制系統則是基於微處理器硬體平臺上，運用各種控制算法進行交流電機控制的實時控制系統。它通過對傳動系統中電機轉速、電機電流和直流母線電壓等信號的採集和處理，根據要求的轉速或轉矩指令，控制主迴路中功率半導體器件的通斷進行PWM控制以調節作用於電機的交流電壓的幅值和頻率，實現對電機轉速或轉矩的控制。
[0004]PWM是交流傳動控制系統中極其重要組成部分，該部分的功能是根據輸入的參考電壓和當前直流母線電壓，調節控制主迴路功率半導體器件通斷的脈衝信號的寬度，使主迴路輸出的基波電壓等於輸入的參考電壓。隨著數字計算機和微處理器的高速發展，基於空間矢量的SVPWM已成為廣泛使用的PWM方法。SVPWM調製方法是基於電機磁鏈軌跡跟蹤的控制思想而得到的一種PWM方法。對於交流電機，在忽略定子電阻時，電機定子電壓空間矢量的積分即電機定子磁鏈空間矢量，因此控制作用於電機的電壓矢量(大小和方向)以及該電壓矢量的作用時間，就能控制電機的磁場軌跡。然而，由於變流器輸出電平個數的限制，變流器實際僅能輸出數量有限的電壓矢量(這些電壓矢量稱為基本矢量)，作用在電機的理想電壓矢量及其作用時間，只能按照磁`鏈軌跡不變的原則，分配給某些基本矢量去分別作用來完成。下面以二電平電壓型變流器說明SVPWM的原理。
[0005]圖1給出了 SVPWM的電壓空間矢量圖形，其中f。是基本矢量，F1稱為有效矢量f) V1則稱為零矢量。根據伏秒平衡的原則，在扇區I有下式(I):
廣(左+1)77.a
[0006]￡r Vse~t = V1T1 + V2T2 + VmillT0C I
[0007]其中，I\、TdP Ttl分別是基本矢量0、匕和I"的作用時間，由下(2)計算可得，m為調製比。
T1 =^mT§ιη(π/3-Θ)
[0008]J 7； =V/3/?7'sin(<9)(2)
T0=T-T1-T2[0009]根據載波比是否恆定，PWM可分為異步調製和同步調製。無論變流器輸出基波電壓的頻率如何變化，異步調製時變流器開關頻率保持不變，因此開關頻率與基波頻率無關。由於開關頻率同基波頻率無關，因此異步調製時變流器輸出的三相交流電壓不對稱，會造成電機三相不平衡。但如果開關頻率足夠高或基波頻率很低，由異步調製造成的三相不平衡幾乎可以忽略。因此，異步調製一般應用於小功率傳動系統或大功率傳動系統的低速區。
[0010]同步調製時，變流器開關頻率同變流器輸出基波頻率之間嚴格地保持比例關係，開關頻率隨著基波頻率的變化而變化。相對於異步調製，同步調製的一個顯著優點是不僅能夠一直保持變流器輸出三相交流電壓的對稱，而且能夠實現相電壓的半波對稱和1/4波對稱從而削弱低次諧波，或者直接消除某些特定的諧波。對於開關頻率較低的大功率交流傳動系統，這意味著在毋需提高開關頻率就能顯著地降低電機轉矩脈動。由於具有上面的特點，同步調製常用於大功率傳動系統的中高速區。
[0011]實際控制系統應用中，將異步調製和冋步調製有機結合起來。在一定頻率下米用異步調製，在一定頻率上採用同步調製。同時考慮到變流器的物理極限開關頻率，把變流器輸出頻率範圍劃分成若干個頻率段，每個頻率段內保持載波比為恆值，不同頻率段的載波比不同，頻率段與載波比的關係如圖2所示。
[0012]圖中實線的斜率即為載波比，隨著調製波頻率的增加而分段增加，上面的虛線即為變流器的開關頻率上限。O~或者f2~f3即為一個頻率段。用表格表示如下，一個頻率段對應一個載波比。
[0013]表1各個頻率段的載波比N
【權利要求】
1.一種低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其特徵在於，其步驟為: (1)在離線狀態下，以消除特定次電流諧波為目標，採用優化算法以調製比為變量進行計算，計算出每種分頻數下對應的開關角； (2)對計算出來的開關角提出了評判和取捨原則:如得到的定子磁鏈形狀為規則的6邊形或18邊形或30邊形，即邊形數相差12時則採納，否則摒棄； (3)將與調製比相對應的開關角按順序存儲於硬體中固定位置或進行曲線擬合得到調製比與開關角的對應關係； (4)系統實際運行過程中，根據調製比和分頻數進行查表或計算得到各個開關角。
2.根據權利要求1所述的低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其特徵在於，所述步驟(1)的具體流程為: (1.1)列寫特定次諧波消除技術非線性方程組:
3.根據權利要求2所述的低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其特徵在於，所述步驟(1.3)的具體流程為: (1.3.1)建立特定次諧波消除技術非線性方程組的同倫算法模型； (1.3.2)設置牛頓迭代初值；在基波幅值小於1.0時，按下式給出迭代初值: α 1=60/2Ν
a k=a !+60(^1)/N, k=2, 3，—N 其中Ci1為第一個開關角，a k為第k個開關角； 而在基波幅值大於1.0時，按下式給出迭代初值: a 1=60/2Ν+30/(Ν+1)
a k=a !+60 (k-1) /N+30/ (N+l)，k=2, 3，...N
其中Ci1為第一個開關角，a k為第k個開關角； (1.3.3)用牛頓迭代法求解同倫方程，迭代計算公式為:
4.根據權利要求2或3所述的低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其特徵在於，所述步驟(1.2)的具體流程為: (1.2.1)三角函數等效變換是根據代數理論中「任意奇數倍角餘弦函數均可以展開為其一倍角餘弦函數冪的多項式的形式」這一理論進行轉換的，其公式如下:
5.根據權利要求2或3所述的低開關頻率下高動態響應脈寬調製方法，其特徵在於，所述步驟(1.1)的具體流程為: (1.1.1)三相PWM逆變器輸出電壓的傅立葉級數表達式為:
【文檔編號】H02P27/08GK103825529SQ201410068675
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月27日 優先權日:2014年2月27日
【發明者】馮江華, 尚敬, 梅文慶, 劉勇, 劉良傑, 甘韋韋, 周志宇, 江平, 胡仙, 賈巖 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司