基於速度的動態pwm調製算法sdpwm的製作方法

2023-07-09 16:13:21

基於速度的動態pwm調製算法sdpwm的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於變頻器輸出的調製算法，命名為SDPWM(SpeedDiscretePulseWidthModulation)，該算法引入與速度相關的超調因子，可以使變頻器根據不同的速度，動態調整輸出的調製方式，同時通過控制超調因子的範圍，避免在電機定子繞組出現尖峰電流，有效地保護了電機。該算法的優點是保證變頻器在設計速度範圍內都能提供良好的控制性能，並且消除了3次諧波，提高了EMC性能，同時最大程度地減少了IGBT的開關次數，有效控制了IGBT的溫升，從而可以延長變頻器壽命、縮小散熱片體積、提高變頻器的效率。因此該發明具有很高的實用性。
【專利說明】基於速度的動態PWM調製算法SDPWM
【技術領域】
[0001]本發明涉及到變頻器的調製輸出方式，變頻器一般使用IGBT等電力電子開關器件作為輸出控制，而它的調製輸出方法直接關係到變頻器的控制性能，電子器件的發熱、壽命、EMC性能，同時也可以影響到電機的絕緣性能。變頻器的調製輸出方法根據其根本原理可以分為脈衝幅度調製(Pulse Amplitude Modulation,簡稱PAM)和脈衝寬度調製(PulseWidth Modulation，簡稱PWM)兩種調製方式。本發明中提到的算法屬於PWM的一種，命名為SDPWM (速度離散脈衝寬度調製，Speed Discrete Pulse Width Modulation),以下均使用其簡稱SDPWM。
【背景技術】
[0002]變頻器是應用電力電子技術與微電子技術、通過改變電機工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動機的電力傳動設備。為了使變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波，使電動機的輸出轉矩平穩，從而獲得優秀的工作性能，現代通用變頻器中的逆變器都是由全控型電力電子開關器件構成，採用PWM方式控制的，應用最早而且作為PWM控制基礎的是正弦脈寬調製(Sinusoidal Pulse Width Modulation,簡稱SPWM)。隨著對變頻器控制性能要求的提高，以及對諧波抑制的要求，又衍生出了空間矢量脈寬調製(Space VectorPulse Width Modulation，簡稱SVPWM)。SVPWM的主要原理是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈軌跡為參考標準，以三相逆變器不同開關模式作適當的切換，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈矢量來追蹤其準確磁鏈軌跡。傳統的SPWM方法從電源的角度出發，生成一個可調頻調壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統和異步電機作為一個整體來考慮，模型比較簡單，也便於微處理器的實時控制。
[0003]普通的三相全橋是由六個開關器件構成的三個半橋。這六個開關器件組合起來(同一相的上、下橋臂信號相反)共有8種安全的開關狀態:其中000、111 (這裡是表示三個上橋臂的開關狀態)這兩種開關狀態在電機驅動中都不會產生有效的電流，因此稱其為零矢量。另外六種開關狀態分別是六個有效矢量，它們將360度的電壓空間分為60度一個扇區，共六個扇區，利用這六個基本有效矢量和兩個零矢量，可以合成360度內的任何矢量。
[0004]當要合成某一矢量時，先將這一矢量分解到離它最近的兩個基本有效矢量，然後用這兩個基本有效矢量去表示，而每個基本有效矢量的作用大小就利用作用時間長短去代表。用電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量，從而保證生成的電壓波形近似於正弦波。
[0005]在驅動變頻電機時，矢量方向是連續變化的，因此我們需要不斷地計算矢量作用時間。為了計算機處理的方便，在合成時一般是定時去計算(如每0.1ms計算一次)。這樣我們只要算出在0.1ms內兩個基本有效矢量作用的時間就可以了。由於計算出的兩個時間的總合可能並不是0.1ms (而是小於或等於0.1ms)，而剩下的時間就按情況插入合適的零矢量。這樣處理後的波形稱之為基於電壓空間矢量的PWM，簡稱SVPWM，圖1為其中一相的波形示意圖。
[0006]SVPWM的優點有:
1.消除了 3次以及3次的倍數次的諧波分量，提高了 EMC性能。
[0007]2.逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側的電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓聞15%。
[0008]然而SVPWM的開關次數較為頻繁，對開關器件的壽命影響較大，本發明SDPWM算法在保證控制性能的前提下，減少了開關次數，極大的提高了開關器件的壽命，同時可以縮小變頻器體積。

【發明內容】

[0009]本發明的目的是提出一種新的動態逆變器調製輸出方法，提高變頻器的整體性能。變頻器的實際使用中，有諸多變化因素，因此該算法同樣提供可供用戶根據實際情況調整的變量:
1.用戶可以調整兩個速度點，改變超調因子的變化率；
2.用戶可以調整超調因子的限制值，該值需要根據變頻器的開關頻率並結合上面提到的兩個速度點計算得到，下文中會詳細介紹其計算方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為SVPWM的波形圖。
[0011]圖2為超調係數的變化曲線圖。
[0012]圖3為SDPWM的不同相上、下橋臂切換波形圖。
[0013]圖4為超調係數的限制值變化曲線圖。
[0014]圖5為低速時SDPWM的波形圖。
[0015]圖6為中速時SDPWM的波形圖。
[0016]圖7為高速時SDPWM的波形圖。
【具體實施方式】
[0017]以下內容結合附圖，對算法進行詳細說明。
[0018]變頻器輸出的PWM調製方式中，SVPWM有諸多優點，SDPWM是以SVPWM的波形為基礎，加上動態超調，以達到減少開關次數的目的。
[0019]1.SVPWM 離散表
如圖1的SVPWM波形圖所示，變頻器的輸出U、V、W可以根據圖1中的一相SVPWM波形的相角分別加、減120度計算得到，這裡把SVPWM從[0，2 Ji]等分1024份，形成一個SVPWM的離散表(下文用TabSVPWM表示該表)，圖1是用MATLAB根據該離散表畫出的波形圖，以下的計算將基於該離散表實現。
[0020]2.調幅係數的計算
目前，變頻器的主流控制算法有壓頻比控制、向量控制、磁通控制和直接轉矩控制，其中前三種控制方式最終都需要進行調製輸出，這裡不對控制算法進行贅述，只強調當使用SDPWM時，控制算法需要輸出電壓向量Us，同時需要採樣得到直流母線的電壓Udc，那麼調幅係數(這裡用Modlndex表示)便可以通過下式計算得到:
ModIndex = Us/Udc;
並且這裡需要對Modlndex進行限制，使其小於或等於1，即如果上式計算得到的ModIndex大於I,強制其等於I。
[0021]3.超調係數的計算
超調係數是一個速度相關的分段函數，一般當速度非常低的時候不適合使用超調，這個低速門限值在這裡記為SpeedL ;當速度高於一定值時，適合使用滿超調，這個高速門限值在這裡記為SpeedH, SpeedH要始終大於SpeedL。這兩個門限值需要根據變頻器的具體使用場合以及負載情況進行設置，比如，當變頻器低速時負載比較輕的應用場合，SpeedL可以適當地設置的低一些；如果低速負載比較重(例如起重等場合)，該值可以適當地設置的高一些。另外，根據負載電機的類型，這兩個門限值也需要調整，如果負載電機是永磁同步電機，那麼這兩個門限值都應該設置的高一些。
[0022]超調係數用OverModIndex表示,超調係數的最大值用OverModLimit表示,超調係數與速度的函數用f (Speed)表示，以下是該函數的內容:
OverModIndex = f (Speed);
Temp = 1+(OverModLimit -1) *( (Speed - SpeedL) / (SpeedH-SpeedL));
f (Speed)是一個分段函數，分如下三段:
f (Speed) = I; (Speed < SpeedL)
f (Speed) = Temp; (SpeedL =< Speed < SpeedH)
f (Speed) = OverModLimit; (Speed >= SpeedH)
圖2是取OverModLimit為1.15時的函數f (Speed)的曲線圖。
[0023]4.超調係數的限制
上面的計算中使用到了超調係數的最大限值OverModLimit，一般應用中，超調係數最大限制值可取為如下常量:
OverModLimit = Ι/sin (π/3);
然而，當取為上述常量的時候，當不同相間上、下橋臂從超調區間切出或者切入時，會在電機的繞組上出現瞬間的2倍壓差，造成電機定子繞組出現尖峰電流，這種尖峰電流對電機的絕緣性傷害很大，嚴重影響電機的壽命。如圖3所示，其中Up、Vn、Wn分別是U相的上橋臂、V和W相的下橋臂。可以看到，LI與L2分別是U相的超調區間的切入和切出點，從圖中可以看到，LI正好與Vn的超調區間的切出點重合，而L2點正好與Wn的超調區間的切入點重合。
[0024]為了避免切換點重合造成的尖峰電流，以下算法通過修正OverModLimit值避免這種情況的發生。原理上講，只要提前一個開關周期切出超調區間即可以避免這種情況，以下是OverModLimit的計算方法,該值的計算與開關頻率(用Fswitch表示)和速度(用Fspeed表示)相關。
[0025]Ws = 2* n ^Fspeed;
T = 1/Fswitch;
Theta = η /3 + Ws*T;
OverModLimit = 1/sin (Theta);其中Ws是角速度、T表示一個開關周期的時間、Theta是超調區間角。計算得到的超調係數限制值OverModLimit的函數曲線如圖4所示，該圖是在開關頻率為8000Hz時的情況。
[0026]得到OverModLimit的函數曲線後，上面描述的OverModIndex的函數f (Speed)也可以優化為；
OverModIndex = f (Speed);
Temp = I + ((I/sin (Ji /3)) -1) * ((Speed - SpeedL) / (SpeedH-SpeedL));
f (Speed)是一個分段函數，分如下三段:
f (Speed) = I; (Speed < SpeedL)
f (Speed) = Min(OverModLimit, Temp); (SpeedL =< Speed < SpeedH)
f (Speed) = OverModLimit; (Speed >= SpeedH)
其中函數MinO是取小值的意思。
[0027]5.SDPWM離散值的計算
最後，我們需要計算出SDPWM離散值，以下將以U相為例計算，V、W相在U相的基礎上分別加、減120度即可。
[0028]Usdpwm(Theta) = ModIndex*OverModIndex*TabSVPWM(Theta);
SDPWM_Limit = 0.5 * Modlndex;
其中，Usdpwm(Theta)是 SDPWM 的函數、SDPWM_Limit 是 SDPWM 的限幅。
[0029]最後限制UsdpwTii(Theta)的值，如果 Usdprai (Theta) > SDPWM_Limit,強制 UsdpwTii(Theta) = SDPWM_Limit ；如果 Usdprai (Theta) < -SDPWM_Limit, 強制Usdpwm(Theta) = _SDPWM_Limit。
[0030]因為OverModIndex是速度相關的函數,所以Usdpwm的波形也是隨速度變化的，圖5所示是速度低於SpeedL時的3相SDPWM波形圖，圖6是速度在SpeedL和SpeedH之間的3相SDPWM波形圖，圖7是速度高於SpeedH的3相SDPWM波形圖。
[0031]最後，SDPWM很好的 平衡了變頻器在不同速度時的控制性能與開關損耗的問題，極大地提高了變頻器的壽命與效率，同時可以縮小變頻器散熱片體積，進而降低變頻器的成本。
【權利要求】
1.在變頻器中，常用的調製輸出的方法有SPWM、SVPWM、60度PWM等，這些調製方法各有優缺點，為了綜合利用這些調製方法的優點、避免缺點，本發明引入速度作為變量，發明一種根據速度動態調整調製方式的離散型PWM，文中稱其為SDPWM (Speed Discrete PulseWidth Modulation)，其特徵在於在變頻器進行調製輸出時，引入速度這個變量，根據速度的不同，動態調節調製方式，以達到最大限度利用變頻器的直流電壓，並且減少諧波，同時又減少IGBT的開關次數，這樣既提高了變頻器的壽命，又提高了變頻器的性能。
2.基於以上權利要求的描述，該發明的另一特徵是根據超調係數來改變調製方式，從而減少IGBT的開關次數，而超調係數與速度相關，這樣避免了全範圍大量減少開關次數造成的低速控制性能差，同時又在低速區有限範圍內在保證控制性能的前提下適當減少了IGBT的開關次數。
3.基於以上權利要求的描述，該發明的第三個特徵是通過限制超調係數，避免了IGBT不同相間的上橋臂和下橋臂的開關切換造成的換相衝擊電流，這種衝擊電流對電機的絕緣性傷害非常大，嚴重時可燒毀電機，該特徵有效的保護了電機。
【文檔編號】H02P27/08GK103580575SQ201310458758
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月6日 優先權日:2013年10月6日
【發明者】不公告發明人 申請人:趙禕