脈寬調製方法和裝置的製作方法
2023-09-22 22:24:30
專利名稱：脈寬調製方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及交流和交流之間，交流和直流之間，或直流和直流之間以及用於電源或類似的電力系統的變換設備，尤其涉及一種脈寬調製方法和裝置。
背景技術：
變頻調速技術已經廣泛應用於電機控制領域。如圖1所示，在動力電源和電機之間串接入逆變器可以方便地實現對電機轉速、轉矩等運行指標的要求，而目前最為通用的逆變器控制方法為空間電壓矢量PWM控制。空間電壓矢量PWM控制方法包括確定基本載波周期T；確定調製係數m；確定空間電壓指令矢量的位置角度θ從而確定用於合成空間電壓指令矢量V的基本電壓矢量VA、VB、VZ；根據T、m、θ計算基本電壓矢量分別作用的時間TA，TB、TZ；用反映基本電壓矢量和作用時間的PWM信號控制逆變橋上的功率開關實現對逆變器電壓輸出和頻率輸出的控制。
以傳統三相調製技術下的空間電壓矢量PWM控制方法為例，說明基本載波通過開關信號發生裝置23變換為PWM控制信號的過程如圖2所示確定了確定調製係數m和空間電壓指令矢量V的位置角度θ後，空間電壓指令矢量V就確定。
如圖1所示，同一時刻上下橋臂的開關管有一個導通而另一個關閉，則逆變橋合理的開關狀態共八種。這8種開關狀態對應八種基本電壓矢量，空間電壓指令矢量V均可由這八種基本電壓矢量的一個或多個合成得到。
如圖3所示，根據空間電壓指令矢量V的位置角度θ可以確定合成該矢量V的非零基本電壓矢量VA、VB對應為V1、V3。零矢量的特徵決定了調製技術為兩相調製還是三相調製。這裡三相調製技術中，零矢量V01，V02共同作用的時間TZ1和TZ2之和TZ。
基本電壓矢量作用的時間TA、TB、TZ由下式確定TA=Tm23sin(3-)]]>TB=Tm23sin]]>TZ＝T-TA-TBTZ1＝TZ2＝0.5TZ根據當前的基本電壓矢量和其各自作用時間可以獲得PWM波，如圖4所示，此PWM波即為三相電壓A、B、C的脈衝輸出波形。該波形為圖1中開關信號發生裝置23的輸出，以提供六路功率開關的驅動信號，從而實現對逆變器電壓輸出和頻率輸出的控制。
在採用以上傳統的空間電壓矢量PWM控制方法時，由PWM逆變器裝置驅動交流電機，輸出電壓所含的高次諧波會不可避免地產生噪聲，並且可能和交流電機本身固定振動頻率點諧振，使得機械振動和噪聲加劇。
由於傳統的空間電壓矢量PWM控制方法，無論是三相調製技術還是兩相調製技術，基本載波周期T一旦確定下來，每個PWM調製周期時間就隨之固定。這樣，所產生的噪聲是一系列固定在較窄頻帶上能量的表現，如圖9所示，噪聲功率集中分布在以基本載波周期T為整數倍的頻帶區域內，這樣在人耳聽覺敏感的頻帶內出現集中的噪聲能量，使得噪聲尖銳且以基本載波周期T為整數倍的頻帶區域附近的EMI指標變差。
已經有一些方法應用於噪聲的抑制，如改變電機設計、控制系統諧振的頻率點、提高載波等等，但這些方法或者是提高了設備成本，特別是在系統構造完成之後；或者是對功率開關提出更高要求，並且帶來開關損耗增加、溫升變大等不利因素。
還有一些是調整脈衝發生的位置，使輸出電壓的高次諧波成分的頻率在預定頻率範圍內被分散，並且使輸出電壓的發生定時隨時間而變化，這種通過改變脈衝發生位置的方法也有一定的局限性，比如隨著當脈寬調製的程度加深，可以用來調製脈衝位置的區域就變得越來越窄。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高效且成本低的脈寬調製方法和裝置。
本發明所採用的方法為這種脈寬調製方法，其特徵在於包括以下步驟1)產生基本載波周期T；2)確定變更調製區段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數；3)隨機產生N個基本載波周期T的變更量使得各變更量的總和為零，且各變更量不全為零；4)上述變更調製區段裡，將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上，完成脈寬調製；所述變更調製區段長度的K倍為一個變更調製周期，其中K為整數，根據該變更調製周期對基本載波進行周期性調節；所述變更調製區段的大小在8毫秒至16毫秒之間；所述N個基本載波周期T的變更量，是由隨機產生的若干個變更量中選擇出的N個變更量組成；產生所述N個變更量後，從中分別選出最大值、最小值；該最大值和最小值將所述的變更區段分為一個、兩個或三個單調區間；在上述每個單調區間內，對各變更量進行單調性排序；再將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上；
所述的基本載波周期T變更量的調整範圍在ΔTmin與ΔTmax之間ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，-1＜Pt＜1，T為基本載波周期；所述的隨機產生是指採用如下控制結構的隨機產生計算函數Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中MOD為取除法的餘數，i為正整數；這種應用上述脈寬調製方法的脈寬調製裝置，包括用於產生脈寬調製信號基本載波周期T的基本載波發生裝置；用於根據調製後的載波輸出功率開關驅動信號的開關信號發生裝置；其特徵在於還包括用於產生若干組每組N個不全為零但總和為零的變更量ΔT(k)的變更量產生裝置；用於將上述變更量ΔT(k)分別疊加到基本載波周期T上的變更量疊加裝置，該裝置對每一基本載波周期T進行脈寬調製，使得調製後的載波周期為T+ΔT(k)，形成調製後的載波輸出到所述開關信號發生裝置。
本發明的有益效果為在本發明中，對於具有基本載波周期T的脈寬調製信號的載波周期進行變更，各脈寬調製信號的載波周期相對於基本載波周期T的變更量限於調整範圍內，且在一個為基本載波周期T整數倍的變更調製區段內，各變更量的總和為零，這樣，可以通過定時按照一規律隨機函數的輸出，調整載波周期的大小，使得在每一段可控的變更調製區段內，輸出電壓矢量的平均值不變，平均載波周期保持基本載波周期T不變，平均功率開關損耗不變，而輸出電壓的噪聲頻譜分布發生變化，改變了原有傳統PWM脈寬調製技術下輸出電壓頻譜的表現，噪聲諧波能量不再集中分布在和載波頻率成整數倍的頻帶內，而是整個輸出電壓的噪聲頻譜變得連續而均勻，從而較大程度地避免了和機械本身固定振動點的諧振作用，並且使可聞的噪聲能量在一定範圍內被平均化，從而達到保證電機平穩行狀態下的音調調整和噪聲抑制，本發明無需對傳動系統中的硬體做改動，不會額外帶來功率開關損耗的增加，且實用過程中電機運行穩定，克服了因載波周期變換帶來的基波電壓失真，逆變器輸出導致電機運行振蕩的問題，因此，本發明效率高且成本低，適合於各類電機傳動的逆變器應用。
圖1為一個由逆變器控制的電機調速系統示意圖；圖2為開關狀態和基本矢量電壓的對應關係示意圖；圖3為用於合成電壓指令矢量的非零基本電壓矢量和電壓指令作用區間的關係示意圖；圖4為未調整載波時的三相電壓波形示意圖；圖5為應用本發明的逆變器控制的電機調速系統示意圖；圖6為本發明中幾個變更調製周期內，載波周期變更的表現示意圖；圖7為本發明載波周期變化的三相輸出電壓波形示意圖；圖8為本發明中調製波波形示意圖；圖9為傳統的調製技術下輸出電壓的頻譜示意圖；圖10為本發明輸出電壓的頻譜示意圖。
具體實施例方式
下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明根據圖5、圖6和圖7，應用本發明的逆變器控制的電機調速系統，如圖5所示，包括基本載波發生裝置24和開關信號發生裝置23，基本載波發生裝置24確定脈寬調製信號的基本載波周期T，開關信號發生裝置23輸出功率開關驅動信號，基本載波發生裝置24、變更量產生裝置25和變更量疊加裝置27構成電壓矢量控制裝置；整流模塊21、逆變電路22、電壓矢量控制裝置、和開關信號發生裝置23構成逆變器，對三相電源1進行逆變處理，控制三相交流電機3，其中變更量產生裝置25用於產生若干組每組N個不全為零但總和為零的變更量ΔT(k)，變更量疊加裝置27將上述變更量ΔT(k)分別疊加到基本載波周期T上，該裝置對每一基本載波周期T進行脈寬調製，使得調製後的載波周期為T+ΔT(k)，形成調製後的載波輸出到開關信號發生裝置23，開關信號發生裝置23輸出的驅動信號a、a』、b、b』、c、c』用以控制六個功率開關管S1～S6的導通和關閉，從而控制三相輸出電壓A、B、C。
在本發明中，對於由基本載波發生裝置24確定脈寬調製信號的基本載波周期T，脈寬調製信號的載波周期進行變更時，確定變更調製區段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數，隨機產生N個基本載波周期T的變更量使得各變更量的總和為零，且各變更量不全為零，在上述變更調製區段裡，將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上，在實際應用中，變更調製區段長度的K倍為一個變更調製周期，其中K為整數，根據該變更調製周期對基本載波進行周期性調節。
在本發明中，基本載波周期T變更量的調整範圍在ΔTmin與ΔTmax之間ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，-1＜Pt＜1，T為基本載波周期；調製後的脈寬調製載波周期為T+ΔT(k)，在確定了脈寬調製載波周期的基礎上，通過變更量產生裝置25和變更量疊加裝置27將這個變更結果傳遞至開關信號發生裝置23，確定基本矢量TA』、TB』、TZ』，控制三相輸出電壓A、B、C。
一個變更調製周期設定為變更調製區段NT的K倍，其中K為整數，各載波周期為T+ΔT(k)，ΔT(k)為各載波周期相對於基本載波周期T的變更量，各變更量的累加和為0，且各變更量不全為零；其中，N個基本載波周期T的變更量，是由隨機產生的若干個變更量中選擇出的N個變更量組成，其具體方法為產生所述N個變更量後，從中分別選出最大值、最小值；該最大值和最小值將所述的變更區段分為一個、兩個或三個單調區間；在上述每個單調區間內，對各變更量進行單調性排序；再將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上。
隨機計算函數可採用如下的控制結構Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{±MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中，MOD為取除法的餘數，i為正整數。
經隨機計算可得ΔT(1)、ΔT(2)....ΔT(N)，每經過變更調製周期KNT，均重複執行上述計算，依次類推。
一般來說，變更調製區段的大小在8毫秒至16毫秒之間，現設Pt＝0.1，N＝64，K＝1，基本載波周期T為0.2mS，在這裡變更調製區段為12.8毫秒，經過幾個變更調製周期，載波周期變更的表現如圖6所示，載波周期的各變更量的值在發生的變更量最大值與最小值之間按變更順序呈現為單調變化狀態，在發生的變更量最小值a2點之後，對脈寬調製信號的變更在到達發生的變更量最大值a3點之前，脈寬調製信號的Pt值始終保持不減小趨勢，即相應脈寬調製信號的ΔT在到達最大值之前始終保持不減小趨勢；同理，在發生的變更量最大值a3點之後，對脈寬調製信號的變更在到達發生的變更量最小值a4點之前，脈寬調製信號的Pt值始終保持不增大趨勢，即相應脈寬調製信號的ΔT在到達最小值之前始終保持不增大趨勢。
如圖7顯示相鄰兩個載波周期變化的三相輸出電壓波形，其中右部為經過載波變更調製的載波周期T』，圖8為採用本發明後其中兩相PWM輸出電壓在帶寬為500HZ濾波後的調製波表現，可以看出調製波波形對稱且失真度小，避免了因載波周期變換帶來的調製波失真而導致電機運行振蕩的問題。
圖9和圖10分別反映了傳統的調製技術下輸出電壓的頻譜示意圖以及本發明輸出電壓的頻譜示意圖，顯示本發明使集中於載波整數倍帶寬內的噪聲能量離散化，整個噪聲頻譜變得均勻而連續，對輸出電壓噪聲頻譜，以及在電機上所體現的運行平穩度，音調表現等會產生良好的效果。
權利要求
1.一種脈寬調製方法，其特徵在於包括以下步驟1)產生基本載波周期T；2)確定變更調製區段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數；3)隨機產生N個基本載波周期T的變更量使得各變更量的總和為零，且各變更量不全為零；4)在上述變更調製區段裡，將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上，完成脈寬調製。
2.根據權利要求1所述的脈寬調製方法，其特徵在於所述變更調製區段長度的K倍為一個變更調製周期，其中K為整數，根據該變更調製周期對基本載波進行周期性調節。
3.根據權利要求1所述的脈寬調製方法，其特徵在於所述變更調製區段的大小在8毫秒至16毫秒之間。
4.根據權利要求1所述的脈寬調製方法，其特徵在於所述N個基本載波周期T的變更量，是由隨機產生的若干個變更量中選擇出的N個變更量組成。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的脈寬調製方法，其特徵在於產生所述N個變更量後，從中分別選出最大值、最小值；該最大值和最小值將所述的變更區段分為一個、兩個或三個單調區間；在上述每個單調區間內，對各變更量進行單調性排序；再將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上。
6.根據權利要求1或4所述的脈寬調製方法，其特徵在於所述的基本載波周期T變更量的調整範圍在ΔTmin與ΔTmax之間ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，-1＜Pt＜1，T為基本載波周期。
7.根據權利要求1或4所述的脈寬調製方法，其特徵在於所述的隨機產生是指採用如下控制結構的隨機產生計算函數Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中MOD為取除法的餘數，i為正整數。
8.一種應用權利要求1所述的脈寬調製方法的脈寬調製裝置，包括用於產生脈寬調製信號基本載波周期T的基本載波發生裝置(24)；用於根據調製後的載波輸出功率開關驅動信號的開關信號發生裝置(23)；其特徵在於還包括用於產生若干組每組N個不全為零但總和為零的變更量ΔT(k)的變更量產生裝置(25)；用於將上述變更量ΔT(k)分別疊加到基本載波周期T上的變更量疊加裝置(27)，該裝置對每一基本載波周期T進行脈寬調製，使得調製後的載波周期為T+ΔT(k)，形成調製後的載波輸出到所述開關信號發生裝置(23)。
全文摘要
一種涉及交流和交流之間，交流和直流之間，或直流和直流之間以及用於電源或類似的電力系統的變換設備的脈寬調製方法和裝置，其特徵在於包括以下步驟產生基本載波周期T；確定變更調製區段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數；隨機產生N個基本載波周期T的變更量使得各變更量的總和為零，且各變更量不全為零；上述變更調製區段裡，將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上，完成脈寬調製，本發明使整個輸出電壓的噪聲頻譜變得連續而均勻，從而較大程度地避免了和機械本身固定振動點的諧振作用，效率高而且成本低，適合於各類電機傳動的逆變器應用。
文檔編號H02P21/00GK1395361SQ0212889
公開日2003年2月5日 申請日期2002年8月20日 優先權日2002年8月20日
發明者姜仲文, 廖海平, 龔春文 申請人:艾默生網絡能源有限公司