一種基於BCPWM調製的相電流重構方法與裝置與流程
2023-08-07 09:13:06 1
本發明涉及電動機控制技術領域，特別是一種基於BCPWM調製的相電流重構方法與裝置。
背景技術：
在高性能的變頻控制系統中，電動機的相電流檢測是一個關鍵的環節，直接影響到整個控制系統的性能。在對成本較注重的變頻器調速民用產品中，電流的採樣部件是系統成本中較重的負擔，目前較常用到的電流採樣方法為通過直流母線電流採樣來檢測獲得電動機相電流。
在變頻器的直流母線側串聯單個採樣電阻R可以重構出三相電流，如圖1所示。因為三相電流最終都會通過直流母線回到電網Udc，因此，直流母線側的電流準確反應出三相電流的變化。通過一定的控制技術可以重構出三相電流，即節省了成本又提高了可靠性。單電阻採樣最大的問題在於扇區邊界和低調製度，只能採到一個有效矢量，甚至一個都採不到。對於全區域的相電流重構問題，已經有很多學者對之進行了深入地研究，提出了多種有效的解決非可觀測區相電流重構的方法和策略。其中，比較有代表性的方法為：採樣修改法、周期外採樣法以及PWM移相法。
採樣修改法由於採用保持值代替不可測得電流值，不可避免地導致了重構電流波形一定程度上的失真；周期外採樣法不用考慮電壓矢量的空間位置，在任意時間都能夠精確的對相電流完成重構，但因為存在PWM周期之外的採樣脈衝，從而將不可避免地導致電機電流產生的高次諧波，造成電動機轉矩產生高頻波動；PWM移相法就是使用非對稱PWM輸出，儘管能夠在一定程度上解決單電流採樣技術在電動機上的應用問題，但在電動機低速控制時控制容易產生電壓矢量失真較大，電流諧波增加量較大等問題，在實現對電動機三相電流全時刻、全範圍進行重構上存在不足。
空間矢量PWM由於其具有調製指數高(比SPWM高15％)，易於數位化實現等特點，在三相逆變器的控制中得到廣泛應用。由零矢量分配方式不同可以分為連續空間矢量PWM和不連續空間矢量PWM，其中BCPWM為不連續矢量PWM中某一相開關不動作的情況。BCPWM調製在高調製指數和過調製運行時，性能更好。BCPWM的零矢量分布在PWM周期的兩端，不可觀測區明顯比SVPWM小，其常用的方法為PWM移相，輸出非對稱PWM波，圖2是BCPWM採用移相法重構時的不可觀測區圖，其中(a)為扇區邊界處圖，(b)為低調製區圖。由圖2中可以看出，移相法並不能實現全區域的電流重構，而且會有諧波產生。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於BCPWM調製的相電流重構方法與裝置，以實現全時刻全區域的相電流重構，採用BCPWM調製方式基本上保持各相佔空比保持不變。
實現本發明目的的技術解決方案為：
一方面，本發明提供一種基於BCPWM調製的相電流重構方法，採用BCPWM調製方式，在一個PWM周期內，根據電流採樣情況進行如下處理：
若某一相電流無法採樣時，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，並保持佔空比不變，採樣兩相有效矢量對應的電流來重構三相電流；其中時間Tw為直流母線電流信號上升穩定時間與AD採樣時採樣轉換時間之和；
若兩個相電流均無法採樣時，相鄰兩個PWM周期裡，將時間為Tw的有效矢量輪流插入到A相和B相中，並保持佔空比不變，採樣每一個PWM周期中插入有效矢量的電流值而另一相電流保持為上一次的採樣值，進行電流重構；
否則，直接進行相電流採樣與重構。
另一方面，本發明提供一種基於BCPWM調製的相電流重構裝置，所述裝置包括BCPWM調製模塊、PWM信號調節模塊、直流電流採樣模塊和電流重構模塊：
所述BCPWM調製模塊，用於根據所述電動機的空間電壓矢量計算BCPWM調製的佔空比，將BCPWM調製後三相的佔空比傳送給所述PWM信號調節模塊，還將有效矢量所在區域信號傳送給電流重構模塊；
所述PWM信號調節模塊，用於根據獲得的所述BCPWM調製的佔空比以及預設的電流採樣窗口時間Tw，計算每個PWM周期的上、下行半周期的PWM波形對應的兩相比較點時間，並生成控制PWM逆變器的開關閉合或者斷開的第一控制信號和控制直流電流採樣模塊對直流母線電流進行採樣的第二控制信號，向所述電流重構模塊發送相應的第一重構信號；
所述直流電流採樣模塊，用於根據接收的所述第二控制信號對直流母線電流進行採樣，並將直流母線電流的採樣值傳送給所述電流重構模塊；
所述電流重構模塊，在BCPWM調製的開關周期內，當接收到所述第一重構信號時，根據PWM信號調節模塊發送的有效矢量所在區域信號，以及所述直流電流採樣模塊發送的直流母線電流採樣值，計算得到所述電動機的第三相電流。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：(1)採用BCPWM調製方式工作，把一相電平箝位，開關器件不動作，每個PWM周期只有兩組開關需要動作，有效的減少了開關次數；並且其零矢量都以V111的形式全部插入PWM周期中間，能更大範圍的實現固定矢量的插入，有效的減少重構電流帶來的非觀測區面積；(2)採用固定矢量插入法的電流重構方法，基本上不改變各相的佔空比，克服了有效矢量作用時間較短時重構電流不準確帶來的不利影響，改善了單電阻採樣的性能，避免了矢量失真，可靠性大大增強。
附圖說明
圖1是單電阻採樣相電流重構方法的變頻器拓撲結構示意圖。
圖2是BCPWM採用移相法重構時的不可觀測區圖，其中(a)為扇區邊界處圖，(b)為低調製區圖。
圖3是本發明實施例的矢量插入及補償後的BCPWM波形圖，其中(a)為時的波形圖，(b)為時的波形圖，(c)為時的波形圖，(d)為時的波形圖。
圖4是本發明實施例的基於BCPWM調製相電流重構方法的裝置示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
結合圖1所示的單電阻採樣相電流重構方法的變頻器拓撲結構，本發明基於BCPWM調製的相電流重構方法，採用BCPWM調製方式，在一個PWM周期內，根據電流採樣情況進行如下處理：
若某一相電流無法採樣時，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，並保持佔空比不變，採樣兩相有效矢量對應的電流來重構三相電流；其中時間Tw為直流母線電流信號上升穩定時間與AD採樣時採樣轉換時間之和；
若兩個相電流均無法採樣時，相鄰兩個PWM周期裡，將時間為Tw的有效矢量輪流插入到A相和B相中，並保持佔空比不變，採樣每一個PWM周期中插入有效矢量的電流值而另一相電流保持為上一次的採樣值，進行電流重構；
否則，直接進行相電流採樣與重構。
進一步地，所述BCPWM調製方式，即母線箝位PWM(BCPWM)調製方式，把一相電平箝位，開關器件不動作，每個載波周期只有兩組開關需要動作。PWM逆變器的上橋臂導通用「0」表示，下橋臂導通用「1」表示；零矢量都以V111的形式全部插入PWM載波周期中間，使得一個載波周期內只有兩相開關動作，佔空比最大的相PWM波在PWM周期內開關不動作。
進一步地，所述每個PWM周期的上行半周期的PWM波形，對應的兩相比較點時間包括佔空比較大相比較點時間Tmax和佔空比較小相比較點時間Tmid，其中Tmax＞Tmid；對應的下行半周期PWM波形兩相比較點時間包括佔空比較大相比較點時間T′max、佔空比較小相比較點時間T′mid，其中T′max＜T′mid；
有效矢量作用時間T1、T2分別為：所述T1或T2小於時間Tw時，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，則產生比較時間點Tx1、Tx2，其中Ts為開關周期。
進一步地，所述T1或T2小於時間Tw時，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，具體如下：
根據對應的兩相比較點時間分別計算出兩個有效矢量作用時間T1、T2，判斷上行半周期有效矢量作用時間是否小於電流採樣窗口時間Tw：
(A)若且
1)當時，將佔空比較大的一相全部置高，並在該相加入Tw有效矢量，不需要佔空比補償，分別對滿足採樣要求的有效矢量對應的相電流進行採樣，重構出三相電流；
2)當時，則在佔空比較大的一相的中間位置插入時間為Tw的有效矢量，分別對滿足採樣要求的有效矢量對應的相電流進行採樣，重構出三相電流；
(B)若且則在佔空比較小的一相的中間位置插入時間為Tw的有效矢量，分別對滿足採樣要求的有效矢量對應的相電流進行採樣，重構出三相電流；
(C)若且則在相鄰兩個PWM周期裡，將時間為Tw的有效矢量輪流插入到A相和B相中，並對每一個PWM周期中插入有效矢量對應的相電流進行採樣，而另一相電流保持為上一次的採樣值，重構出三相電流。
進一步，所述T1或T2小於時間Tw時，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，同時對插入時間為Tw的有效矢量所對應相的PWM波進行佔空比補償，也就是分別在該相PWM波的高電平兩端延伸
如圖3所示，插入有效矢量後需要對插入有效矢量對應的相進行佔空比補償，也就是分別在該相PWM波的高電平兩端增加的作用時間。圖3中，(a)為時的波形圖，(b)為時的波形圖，(c)為時的波形圖，(d)為時的波形圖。
接著計算每個PWM周期內的兩個電流採樣點，需要判斷有效矢量作用時間是否小於電流採樣窗口時間Tw，可計算得到採樣點Tsample1、Tsample2，具體如下：
(A)若且在Tsample1、Tsample2時刻進行採樣，得到兩相相電流可以計算出第三相相電流；
(B)若且在Tsample1、Tsample2時刻進行採樣，得到兩相相電流可以計算出第三相相電流；
(C)若且
1)當時，在Tsample1、Tsample2時刻進行採樣，得到兩相相電流可以計算出第三相相電流；
2)當時，在Tsample1、Tsample2時刻進行採樣，得到兩相相電流可以計算出第三相相電流；
(D)若且
(1)第一個PWM周期內，在A相的時刻採樣電流的到ia，另一相電流保持上次的採樣值即ib＝ibold，計算得出第三相電流；
(2)第二個PWM周期內，在B相的時刻採樣電流的到ib，另一相電流保持上次的採樣值即ia＝iaold，計算得出第三相電流；
如圖4所示，本發明基於BCPWM調製的相電流重構裝置，包括BCPWM調製模塊、PWM信號調節模塊、直流電流採樣模塊和電流重構模塊。
所述BCPWM調製模塊，用於根據所述電動機的空間電壓矢量計算BCPWM調製的佔空比，將BCPWM調製後三相的佔空比傳送給所述PWM信號調節模塊，還將有效矢量所在區域信號傳送給電流重構模塊；
所述PWM信號調節模塊，用於根據獲得的所述BCPWM調製的佔空比以及預設的電流採樣窗口時間Tw，計算每個PWM周期的上、下行半周期的PWM波形對應的兩相比較點時間，並生成控制PWM逆變器的開關閉合或者斷開的第一控制信號和控制直流電流採樣模塊對直流母線電流進行採樣的第二控制信號，向所述電流重構模塊發送相應的第一重構信號；
所述直流電流採樣模塊，用於根據接收的所述第二控制信號對直流母線電流進行採樣，並將直流母線電流的採樣值傳送給所述電流重構模塊；
所述電流重構模塊，在BCPWM調製的開關周期內，當接收到所述第一重構信號時，根據PWM信號調節模塊發送的有效矢量所在區域信號，以及所述直流電流採樣模塊發送的直流母線電流採樣值，計算得到所述電動機的第三相電流。
進一步地，所述PWM信號調節模塊生成控制PWM逆變器開關閉合或者斷開的第一控制信號：首先根據有效矢量的作用時間，判斷是否需要插入有效矢量，若需要，則計算PWM周期內上、下行半周期插入有效矢量對應的兩個比較點Tx1、Tx2和補償後的兩相比較點Tmax1、Tmid1、Tmax2、Tmid2；若不需要，則直接計算PWM周期內上、下行半周期的PWM波形對應的兩相比較點Tmax、Tmid、Tm'ax、Tm'id；具體如下：
有效矢量作用時間T1、T2分別為Ts為開關周期，Tw為直流母線電流信號上升穩定時間與AD採樣時採樣轉換時間之和，則：
(A)若且
1)當時，
2)當時
(B)若且則在佔空比較小的一相的中間位置插入時間為Tw的有效矢量，PWM周期內上行半周期比較點時間下行半周期比較點時間
(C)若且則在相鄰兩個PWM周期裡，將時間為Tw的有效矢量輪流插入到A相和B相中，第一周期在A相插入矢量，則有第二周期在B相插入矢量，則有
根據上述判斷計算得到的比較點時間Tmax1、Tmid1、Tmax2、Tmid2，將計算結果與三角載波比較輸出PWM逆變器開關閉合或者斷開的第一控制信號。
進一步地，所述PWM信號調節模塊生成控制直流電流採樣模塊對直流母線電流進行採樣的第二控制信號，具體為：
(A)若且第一採樣點時間第二採樣點時間
(B)若且第一採樣點時間第二採樣點時間
(C)若且
1)當時，第一採樣點時間第二採樣點時間
2)當時，第一採樣點時間第二採樣點時間
(D)若且
1)第一個PWM周期內，在A相的第二採樣點時間採樣電流得到ia，另一相電流保持上次的採樣值即ib＝ibold；
2)第二個PWM周期內，在B相的第一採樣點時間採樣電流得到ib，另一相電流保持上次的採樣值即ia＝iaold。
所述PWM信號調節模塊將控制直流電流採樣模塊對直流母線電流進行採樣的第二控制信號發送給直流電流採樣模塊。
進一步地，所述電流重構模塊還包括判斷計算單元，用於當接收到第一重構信號時，根據接收的兩相採樣電流、對應的有效矢量所在區域信息，選擇相應的重構方式，計算得到第三相相電流，實現三相電流重構；
在需要插入有效矢量時，若某一相電流無法採樣，在零矢量段中間插入時間為Tw的有效矢量，若直接把佔空比較大的那一相的佔空比變為1不進行佔空比補償，否則保持佔空比不變，採樣兩相有效矢量對應的電流來重構三相電流；若兩個相電流均無法採樣，相鄰兩個PWM周期裡，將時間為Tw的有效矢量輪流插入到A相和B相中，並保持佔空比不變，採樣每一個PWM周期中插入矢量的電流值，而另一相電流保持為上一次的採樣值，進行電流重構；否則直接進行相電流採樣與重構；具體為：
(A)若且根據接收的兩相採樣電流和對應的有效矢量所在區域可計算得第三相相電流，實現三相電流重構；
(B)若且根據接收的兩相相電流和對應的有效矢量所在區域可以計算出第三相相電流，實現三相電流重構；
(C)若且根據接收的兩相相電流和對應的有效矢量所在區域可以計算出第三相相電流，實現三相電流重構；
(D)若且
(1)第一個PWM周期內，在A相的時刻採樣電流的到ia，另一相電流保持上次的採樣值即ib＝ibold，計算得出第三相電流；
(2)第二個PWM周期內，在B相的時刻採樣電流的到ib，另一相電流保持上次的採樣值即ia＝iaold，計算得出第三相電流。
綜上所述，本發明採用BCPWM調製方式基本上保持各相佔空比保持不變，克服了有效矢量作用時間較短時，重構電流不準確帶來的不利影響，尤其在低調製區時，避免了矢量失真，可靠性大大增強。