一種優化零矢量的SVPWM調製方法及裝置與流程

2023-07-14 13:45:06

本發明涉及逆變器調製控制技術，尤其涉及一種優化零矢量的空間矢量脈寬調製(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)調製方法及裝置。

背景技術：

SVPWM是交流電機的一種控制方法，常用的SVPWM方法主要包括七段式SVPWM。

圖1為現有技術三相逆變器為交流電機供電的原理圖，其中Ud表示直流電壓。如圖1所示，三相逆變器具有三組橋臂A、B、C，每組橋臂由兩個開關管串聯組成。為簡化起見，將開關管以開關符號表示。為使電機對稱工作，必須三相同時供電，即在任一時刻每組橋臂有且僅有一個開關管導通。在每組橋臂中，上橋臂的開關管導通、同時下橋臂的開關管關斷，該狀態用「1」表示；上橋臂的開關管關斷、同時下橋臂的開關管導通，該狀態用「0」表示。那麼三相逆變器一共有100、110、010、011、001、101、000、111八種開關狀態；其中，前六種開關狀態可使三相逆變器正常工作，分別對應於6個基本電壓空間矢量後兩種開關狀態是無用的，分別對應於零矢量和

圖2為現有技術的空間矢量圖，其中α表示α-β平面直角坐標系的α軸，β表示α-β平面直角坐標系的β軸；如圖2所示，6種基本電壓空間矢量劃分出6個扇區，分別為扇區I-扇區VI。現有的七段式SVPWM中每個扇區被定義為7段式調製扇區，對應7個控制時間段，起始的一個時間段和結束的一個時間段的開關狀態為000(對應零矢量)，中間的一個時間段的開關狀態為111(對應零矢量)，其餘時間段的開關狀態為該扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態。例如，在扇區I中開關管的開關順序依次為000、100、110、111、110、100、000，產生的矢量依次為

但是，現有技術中存在開關管的開關操作頻率較高，開關損耗較大的問題。

技術實現要素：

本發明提供一種優化零矢量的SVPWM調製方法及裝置，用以解決現有技術中開關管的開關操作頻率較高，開關損耗較大的問題。

本發明提供一種優化零矢量的空間矢量脈寬調製SVPWM調製方法，所述方法用於控制三相逆變器的三組橋臂的開關管的通斷，所述方法包括：

獲取開關控制信息，所述開關控制信息包括第一扇區的不同控制時段分別對應的開關狀態；所述第一扇區為5段式調製扇區；其中，所述第一扇區的中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換，僅有一組所述橋臂的開關管的通斷狀態發生變化；

根據所述開關控制信息，對所述橋臂的開關管的通斷進行控制。

在本發明一實施例中，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為或者，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為

在本發明一實施例中，所述扇區I的五個控制時段的開關狀態依次為100、110、111、110、100，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區II的五個控制時段的開關狀態依次為110、010、000、010、110，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區III的五個控制時段的開關狀態依次為010、011、111、011、010，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區IV的五個控制時段的開關狀態依次為011、001、000、001、011，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區V的五個控制時段的開關狀態依次為001、101、111、101、001，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區VI的五個控制時段的開關狀態依次為101、100、000、100、 101，五個控制時段的矢量依次為

其中，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量；000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

在本發明一實施例中，所述扇區I的五個控制時段的開關狀態依次為110、100、000、100、110，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區II的五個控制時段的開關狀態依次為010、110、111、110、010，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區III的五個控制時段的開關狀態依次為011、010、000、010、011，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區IV的五個控制時段的開關狀態依次為001、011、111、011、001，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區V的五個控制時段的開關狀態依次為101、001、000、001、101，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區VI的五個控制時段的開關狀態依次為100、101、111、101、100，五個控制時段的矢量依次為

其中，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量；000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

本發明提供一種優化零矢量的空間矢量脈寬調製SVPWM調製裝置，所述裝置用於控制三相逆變器的三組橋臂的開關管的通斷，所述裝置包括：

獲取模塊，用於獲取開關控制信息，所述開關控制信息包括第一扇區的不同控制時段分別對應的開關狀態；所述第一扇區為5段式調製扇區；其中，所述第一扇區的中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換，僅有一組所述橋臂的開關管的通斷狀態發生變化；

控制模塊，用於根據所述開關控制信息，對所述橋臂的開關管的通斷進行控制。

在本發明一實施例中，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時， 所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為或者，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為

在本發明一實施例中，所述扇區I的五個控制時段的開關狀態依次為100、110、111、110、100，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區II的五個控制時段的開關狀態依次為110、010、000、010、110，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區III的五個控制時段的開關狀態依次為010、011、111、011、010，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區IV的五個控制時段的開關狀態依次為011、001、000、001、011，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區V的五個控制時段的開關狀態依次為001、101、111、101、001，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區VI的五個控制時段的開關狀態依次為101、100、000、100、101，五個控制時段的矢量依次為

其中，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量；000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

在本發明一實施例中，所述扇區I的五個控制時段的開關狀態依次為110、100、000、100、110，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區II的五個控制時段的開關狀態依次為010、110、111、110、010，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區III的五個控制時段的開關狀態依次為011、010、000、010、011，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區IV的五個控制時段的開關狀態依次為001、011、111、011、001，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區V的五個控制時段的開關狀態依次為101、001、000、001、101，五個控制時段的矢量依次為

所述扇區VI的五個控制時段的開關狀態依次為100、101、111、101、100，五個控制時段的矢量依次為

其中，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量；000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

本發明提供一種優化零矢量的SVPWM調製方法及裝置，通過將第一扇區定義為5段式調製扇區，並根據中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換僅有一組橋臂的開關管的通斷狀態發生變化的開關控制信息，對橋臂的開關管的通斷進行控制；降低了開關操作的頻率和開關損耗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現有技術三相逆變器為交流電機供電的原理圖；

圖2為現有技術的空間矢量圖；

圖3為本發明一種優化零矢量的SVPWM調製方法實施例一的流程圖；

圖4為本發明A相電壓的功率因數角的示意圖；

圖5為現有技術七段式SVPWM調製方法下A相的SVPWM波形圖；

圖6為本發明優化零矢量的SVPWM調製方法下A相的SVPWM波形圖；

圖7為現有技術A相的調製波的仿真波形圖；

圖8為本發明A相的調製波的仿真波形圖；

圖9為現有技術七段式SVPWM調製方法下電機的轉矩波形；

圖10為本發明優化零矢量的SVPWM調製方法下電機的轉矩波形；

圖11為本發明一種優化零矢量的SVPWM調製裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖3為本發明一種優化零矢量的SVPWM調製方法實施例一的流程圖；所述方法用於控制三相逆變器的三組橋臂的開關管的通斷，如圖3所示，本實施例的方法可以包括：

步驟301、獲取開關控制信息，所述開關控制信息包括第一扇區的不同控制時段分別對應的開關狀態；所述第一扇區為5段式調製扇區；其中，所述第一扇區的中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換，僅有一組所述橋臂的開關管的通斷狀態發生變化；

步驟302、根據所述開關控制信息，對所述橋臂的開關管的通斷進行控制。

現有技術中，七段式SVPWM控制方式下，扇區I-所述扇區VI中不同控制時段對應的所述開關狀態及矢量如表1所示；

表1

其中，000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

可以看出，7段式SVPWM的扇區為7段式調製扇區，且在任一扇區中每次開關狀態的切換僅有一組橋臂的開關管的通斷狀態發生變化。因此，由表1可以看出，在一扇區中會出現(7-1)*2次開關管的開關操作，在扇區I-扇區VI中總共出現12*6次開關管的開關操作。因此，現有技術中存在開關管的開關操作頻率較高，開關損耗較大(其中，開關損耗與開關頻率成正比)的問題。

本實施例中，通過將第一扇區定義為5段式調製扇區，並根據中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換僅有一組橋臂的開關管的通斷狀態發生變化的開關控制信息，對橋臂的開關管的通斷進行控制；使得在第一扇區中僅出現(5-1)*2次開關管的開關操作，與現有技術中扇區中出現(7-1)*2次開關管的開關操作相比，降低了開關操作的頻率和開關損耗。

一種優化零矢量的SVPWM調製方法實施例二

可選的，在本發明一種優化零矢量的SVPWM調製方法實施例一的基礎上，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為或者，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為

進一步的，本發明中當扇區I、扇區III及扇區V插入的零矢量為扇區II、扇區IV、扇區VI插入的零矢量為時，扇區I-扇區VI中不同控制時 段對應的所述開關狀態及矢量如表2所示，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量。

表2

其中，000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

由表2可以看出，在扇區I中A相(對應A橋臂)始終保持上橋臂開通的狀態未發生變化，在扇區IV中A相始終保持上橋臂關斷狀態未發生變化；在扇區III中B相(對應B橋臂)始終保持上橋臂開通的狀態未發生變化，在扇區VI中B相始終保持上橋臂關斷狀態未發生變化；在扇區V中C相(對應C橋臂)始終保持上橋臂開通的狀態未發生變化，在扇區II中C相始終保持上橋臂關斷狀態未發生變化。也就是說，對於表2，每相(A相、B相或C相)都有兩個互差180度、寬度為60度的開關管不進行開關操作的扇區(也即，不開關扇區)。(例如A相在扇區I和扇區IV不動作，同時這兩個扇區互差180度)。

圖4為本發明A相電壓的功率因數角的示意圖；如圖1所示，A相的電壓峰值點為扇區I的中線所示，A相的電流峰值點滯後於A相的電壓峰 值點的角度為功率因數角這裡定義A相的相電壓正半周中60°不開關扇區的中線滯後於該相的相電壓的電壓正峰值點的角度為β。對於A相來說，扇區I為其不開關扇區，且對應A相電壓的正周期；因此，β＝0。當較高時，功率因數角較小，因此可以認為扇區I的中線和A相的電流峰值點基本重合。

類似的，當較小時，也可以得出扇區III的中線與B相的電流峰值點基本重合，扇區V的中線與C相的電流峰值點基本重合的結論。

進一步的，本發明中當扇區I、扇區III及扇區V插入的零矢量為扇區II、扇區IV、扇區VI插入的零矢量為時，扇區I-扇區VI中不同控制時段對應的所述開關狀態及矢量如表3所示，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量。

表3

其中，000、001、010、011、100、101、110、111為開關狀態；為基本電壓空間矢量；為零矢量。

由表2和表3可以看出，在扇區I-扇區VI中總共出現8*6+5次開關管的開關操作，與現有技術中總共出現12*6次開關管的開關操作相比，降低了開關操作的頻率和開關損耗。

圖5為現有技術七段式SVPWM調製方法下A相的SVPWM波形圖，圖6為本發明優化零矢量的SVPWM調製方法下A相的SVPWM波形圖；從圖5和圖6可以看出，本發明與現有技術相比，每相(A相、B相或C相)都有兩個互差180度、寬度為60度的不開關扇區，有兩個扇區不進行開關管的開關操作，降低了開關頻率及開關損耗。

需要說明的是，圖5及圖6中A相電壓的周期為0.02秒(s)，圖5具體為現有技術基於表1的開關順序所確定的A相的SVPWM脈衝波形圖，圖6具體為本發明基於表2的開關順序所確定的A相的SVPWM脈衝波形圖。圖7為現有技術A相的調製波的仿真波形圖，圖8為本發明A相的調製波的仿真波形圖；如圖7和圖8所示，相比於現有技術，本發明A相的調製波的仿真波形圖在正負半周的各中間60度時一直保持不變化，分別對應於圖6中的脈衝不動作時刻。

需要說明的是，圖7及圖8的仿真條件相同，具體為：三角波(用於與調製波比較，從而生成PWM波形)的周期為0.0002s，幅值為0.0001；Ud為600V；三相電壓的周期為0.02s，幅值為348V；輸出負載R＝5Ω。圖7中A相的SVPWM波形如圖5所示，圖8中A相的SVPWM波形如圖6所示。

下面對現有技術與本發明的線電壓諧波進行仿真分析

仿真條件：三角波的周期為0.0002s，幅值為0.0001；Ud為600V；三相電壓的周期為0.02s，幅值為348V；輸出負載R＝5Ω，開關頻率為5k Hz，調製比為1。對仿真後得到的現有技術的線電壓頻譜及本發明的線電壓頻譜進行分析，其諧波此時、電壓幅值、百分比(電壓幅值所佔的百分比)的對比如表4所示；

表4

由表4可以看出，本發明與現有技術相比，低次諧波明顯減小，可以減少電機運行中及多模式PWM切換時的電壓、電流衝擊，從而更加有利於電機的穩定運行。

下面對現有技術與本發明的線轉矩波動進行仿真分析

其中，諧波轉矩有兩種：一種是恆定的諧波轉矩，另外是脈動轉矩。恆定的諧波轉矩主要由氣隙諧波磁通和它在轉子上感應的電流之間相互作用而產生的，脈動轉矩是各次諧波磁場和電流之間相互作用的結果，是諧波轉矩的主要分量。

圖9為現有技術七段式SVPWM調製方法下電機的轉矩波形，圖10為本發明優化零矢量的SVPWM調製方法下電機的轉矩波形；如圖9和圖10所示，當電機運行時，現有的SVPWM調製方法輸出的脈動轉矩(Te)在-5(單位為N*m(牛*米))和5之間波動，本發明的SVPWM調製方法輸出的脈動轉矩在-2和4之間波動。因此，本發明與現有技術相比，減小了轉矩脈動。

圖11為本發明一種優化零矢量的SVPWM調製裝置的結構示意圖；本實施例的裝置可以用於控制三相逆變器的三組橋臂的開關管的通斷，如圖11所示，本實施例的裝置可以包括：獲取模塊1101和控制模塊1102。其中，獲取模塊1101，用於獲取開關控制信息，所述開關控制信息包括第一扇區的不同控制時段分別對應的開關狀態；所述第一扇區為5段式調製扇區；其中，所述第一扇區的中間控制時段的開關狀態為零矢量對應的開關狀態，其他控制時段的開關狀態為所述第一扇區的基本電壓空間矢量對應的開關狀態，且每次開關狀態的切換，僅有一組所述橋臂的開關管的通斷狀態發生變化；控制模塊1102，用於根據所述開關控制信息，對所述橋臂的開關管的通斷進行控制。

可選的，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為或者，當所述第一扇區為扇區I、扇區III及扇區V時，所述零矢量為當所述第一扇區為扇區II、扇區IV、扇區VI時，所述零矢量為

可選的，所述扇區I-所述扇區VI中不同控制時段對應的所述開關狀態及 矢量如表2所示，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量。

可選的，所述扇區I-所述扇區VI中不同控制時段對應的所述開關狀態及矢量如表3所示，所述矢量包括所述零矢量和所述基本電壓空間矢量。本實施例的裝置，可以用於執行一種優化零矢量的SVPWM調製方法實施例一、實施例二的技術方案，其實現原理和技術效果類似，此處不再贅述。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。