專利名稱：一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法
技術領域：
本發明屬于電力電子變換裝置的脈寬調制控制技術領域，可應用于交流電機調速系統、交流電源、高壓大容量電力電子變換裝置等設備的控制中。
背景技術：
脈寬調制方法是目前控制電力電子變換裝置的核心技術。最早出現的正弦波脈寬調制方法(SPWM)直接將正弦指令信號與高頻載波比較，輸出脈寬調制信號，較適合采用模擬器件實現，因此在以往的模擬控制系統中用得較多。但該方法在一定的直流母線電壓下輸出交流電壓偏低，即其對直流母線的電壓利用率偏低，如在三相系統中，在保證輸出電壓波形正弦的前提下，其輸出相電壓幅值僅為直流母線電壓的
為改善這一缺陷，后來人們又提出了電壓空間矢量調制方法(SVPWM)。SVPWM方法引入了電壓空間矢量的概念在三相系統中，根據逆變裝置功率開關的開關狀態組合，可將逆變器的輸出電壓分為8種不同的電壓空間矢量，其中2個為零矢量，6個非零的基本矢量。采用SVPWM方法時實際輸出的電壓矢量是通過上述8個矢量來合成的。SVPWM方法本質是在矢量合成中疊加了共模電壓，使得其調制范圍擴大，提高了電壓利用率，其輸出的相電壓幅值可達到直流母線電壓的
倍。SVPWM方法是目前各種逆變裝置中最常用的調制方法。但該方法也存在一些缺陷首先共模電壓偏大，容易引起損耗和電磁兼容問題，特別是在一些高電壓應用場合；其次，空間矢量概念較抽象，無法直接得到調制信號，其計算過程繁瑣，需要進行坐標變換、扇區判斷、三角函數運算的步驟。為此，后來人們又陸續提出了空間矢量調制的改進方法，如中國發明專利200610165591.3提出的“一種可減小共模電壓的兩相PWM調制方法”，采用增加一個單位矢量進行合成的思路，可以在一定范圍內減小輸出共模電壓；中國發明專利200710163379.8提出的“一種采用空間矢量脈沖寬度調制的電機控制方法和裝置”，通過計算零序分量的方法模擬SVPWM的實現，可對共模電壓進行調整，也能在一定范圍內減小共模電壓；中國發明專利200710088605.0提出的“用于電壓源逆變器的脈寬調制控制的方法和裝置”，通過改變零矢量寬度的方法減小負載電機損耗等。上述方法在減小共模電壓及損耗方面有一定的效果，但基本都還是沿用空間矢量調制的矢量合成概念，無法改善空間矢量復雜的推算過程，甚至更進一步加大了復雜程度，另外，對共模電壓的抑制程度并沒有達到最大化，因此并沒有得到大范圍的推廣，目前在實際中應用最多的還是SVPWM調制方法。為此，本發明專利拋棄傳統空間矢量調制方法的矢量合成概念，通過對逆變裝置輸出電壓限制條件的深入分析，直接對瞬時相電壓指令信號進行分析判斷，根據需要選擇共模電壓值，可保證任意瞬間所需共模電壓最小。實現該方法的思路清晰，計算中無需坐標變換、扇區判斷、三角函數運算等，計算過程簡單并容易數字化實現。可應用于所有需要進行逆變的脈寬調制控制系統中，可減小系統軟件開銷，并最大限度地降低共模電壓，減小由此引發的損耗和電磁兼容問題。
發明內容
本發明目的在于提出一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法。
本發明特征在于，所述方法是在集成電路中依次以以下步驟實現的 步驟(1)、向所述集成電路中輸入三相瞬時值形式的目標電壓值uAO，uBO，uCO； 步驟(2)、按下式去除所述三相瞬時值形式的目標電壓中已有的共模電壓，得到 步驟(3)、按下式判斷步驟(2)中得到的已去除共模電壓的目標電壓值
是否已進入過調制區 max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD， 其中VD為直流母線電壓，uAB，uBC，uCA為瞬時值形式的線電壓目標值； 若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)≤VD，則未進入過調制區，每相目標電壓值仍為步驟(2)中的
表示為 若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，則已進入過調制區，所述每相目標電壓值變為 步驟(4)、按下式判斷是否需要在步驟(3)得到的所述每相目標電壓值中疊加最小瞬時共模電壓 若則無需疊加共模電壓，每相目標電壓值仍為步驟(3)中的
表示為 若需疊加共模電壓，則 當
所對應的相電壓時，每相目標電壓值為 當
所對應的相電壓時，每相目標電壓值為 步驟(5)、按下式計算脈寬調制占空比 步驟(6)、輸出三路脈寬調制電路PWM的比較寄存器值 其中Tx_PR為集成電路中PWM計數器的周期寄存器值或載波周期。
上述執行步驟如附圖1所示。
上述步驟(1)中，如果輸入的是靜止坐標系下矢量形式的目標電壓值uα，uβ，則要按下式進行靜止的2/3變換，然后開始轉入步驟(3)直接進行過調制判斷 其后步驟不變。
上述步驟(1)中，如果輸入的是旋轉坐標系下的目標電壓值ud，uq，則要按下式進行旋轉2/3變換，然后開始轉入步驟(3)直接進行過調制判斷 其中θ為旋轉dq坐標系相對于靜止ABC坐標系的轉角，其后步驟不變。
本發明所提調制方法完全拋開空間矢量概念，直接基于相電壓瞬時值進行分析和計算，所有步驟思路清晰，無需復雜運算，很容易在工程上實現。算法中運算主要為邏輯判斷和四則運算，大部分計算步驟正常工作情況下都會被跳過，可以保證很高的實時性。同時，該方法通過瞬時共模電壓疊加，可保證各種工況下系統輸出最小的共模電壓，并能自動進入過調制區。下面對該方法的輸出特性與SVPWM方法進行對照比較 在如附圖2所示的電壓空間矢量坐標系中，六邊形1由6個基本矢量的端點構成，基本矢量長度為
其內接圓為圓2，半徑為
圓1為半徑為
且與圓2同心的圓。下面分幾個區域討論本發明申請所提方法與SVPWM方法的差異 1、區域I，目標電壓矢量Vref位于圓1內。
1.1 采用本申請所提方法時，由于線電壓幅值不超過
并且目標電壓矢量在A、B、C三相坐標系下的分量在范圍
內，因此既不滿足過調制條件，也不滿足需要疊加共模電壓的條件，這一區域為無需疊加共模電壓的區域，調制特性與SPWM方法相當。
1.2 采用SVPWM方法時，以七段式SVPWM為例說明，在一個采樣周期T內，設t1為第一個基本矢量作用時間，t2為第二個基本矢量作用時間，t0為零矢量作用時間。其中零矢量作用時間分為兩段，一段為零矢量(000)，一段是零矢量(111)，一般采用平均分配的方法，所以零矢量對共模電壓的貢獻為零。因此共模電壓主要取決于兩個非零基本矢量的作用時間。可以證明，任意兩個相鄰的基本矢量平均共模電壓必然一個為
，另一個為
。假設第一個基本矢量的平均共模電壓為
第二個基本矢量的平均共模電壓為
那么在一個采樣周期內的平均共模電壓為 可以證明，在t1與t2差值最大時，即目標電壓矢量位于6個基本矢量方向時，該共模電壓達到最大值，其大小為 其中|Vref|為目標電壓矢量幅值。
2、區域II，目標電壓矢量Vref位于圓1外，圓2內。
2.1 采用本申請所提方法時，線電壓幅值不超過VD，但目標電壓矢量在A、B、C三相坐標系下的分量超出范圍
因此不滿足過調制條件，但滿足需要疊加共模電壓的條件，可以證明所需共模電壓值在目標電壓矢量位于基本矢量方向時達到最大值，其值為 2.2 采用SVPWM方法時，分析方法與1.2相同。
3、區域III，目標電壓矢量Vref位于圓2外，六邊形1內。
3.1 采用本申請所提方法時，分析同2.1，系統自動進入六邊形電壓矢量區域。
3.2 采用SVPWM方法時，分析同1.2，系統進入六邊形電壓矢量區域。
4、區域IV，目標電壓矢量Vref位于六邊形1外。
4.1 采用本申請所提方法時，線電壓幅值超過VD，目標電壓矢量在A、B、C三相坐標系下的分量超出范圍
滿足過調制條件，同時滿足需要疊加共模電壓的條件，系統自動進入過調制狀態。
4.2 采用SVPWM方法時，必須進行過調制狀態的設計，以使系統保持工作。
根據上述分析，附圖3給出了采用不同調制方法時共模電壓最大值與目標電壓矢量幅值的關系，其中曲線1為采用SVPWM方法時共模電壓最大值與目標電壓矢量幅值關系，曲線2為采用本申請所提調制方法時共模電壓最大值與目標電壓矢量幅值關系，可以看出，采用后一種方法時共模電壓最大值得到了大幅減少，其為理論所能達到的最小值。
圖1為基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法的流程圖； 圖2為電壓矢量區域圖； 圖3為空間矢量電壓調制方法與本發明方法共模電壓的比較； 圖4為三相逆變裝置主電路； 圖5為初始三相目標電壓值； 圖6為經過疊加共模電壓的三相目標電壓值。
實施方式 本發明提出一種新型的脈寬調制方法，其特征在于該方法根據電壓源型逆變裝置輸出電壓狀態的限制條件，能通過直接對每相目標電壓值的分析和計算，給出功率單元的控制信號。下面以典型的三相逆變系統為例說明其工作原理。如附圖4所示的三相逆變電路中，直流母線電壓為VD，選擇直流母線電壓的
作為參考電壓零點，即附圖4中O點。采用SPWM或SVPWM等脈寬調制方法對功率開關T1～T6進行調制控制，可以在A、B、C端點輸出受控的交流電壓。
本發明根據逆變裝置輸出狀態的物理限制直接給出每相電壓的目標值。為此首先對每相輸出電壓的限制條件進行分析由附圖4可以看出，對于A相輸出電壓uAO，當T1占空比DA由0變化到最大值1時(此時T2與T1互補開通關斷)，uAO變化范圍為
同理，B、C相的輸出電壓uBO，uCO變化范圍同樣為
這一變化范圍就是每相輸出電壓的限制條件，超出這一范圍物理上是無法實現的。這就是直接采用正弦電壓信號調制的SPWM方法輸出相電壓幅值僅為
的根本原因。而采用SVPWM調制能提高電壓利用率的本質是在于，調制過程中，三相輸出電壓疊加了一個共同的偏移值，使得三相目標電壓值落入到了
這一物理可實現范圍。這一共同的偏移值即是所謂共模電壓值。加入共模電壓并不會影響輸出到負載端的線電壓值，但會帶來負載中點電壓的波動，由此可能引發損耗和電磁干擾等問題，因此在保證輸出電壓波形的情況下應盡量減少共模電壓值，但空間矢量算法并沒有專注于這一問題的解決。
下面直接由三相電壓瞬時值的情況來分析共模電壓的作用。如果三相目標電壓值uAO，uBO，uCO某一時刻處于如附圖5所示狀態，可以看出uBO絕對值最大，并且超出了可實現范圍
因此需要疊加共模電壓，使得所有三個目標電壓值都落入可實現范圍。如附圖6所示，針對如附圖5所示目標電壓狀況的共模電壓疊加方法實際上是將中點向下移動，使得三個端點同時落入
范圍，可以看出，這段移動的距離uOO′即為疊加的共模電壓。此時，三相目標電壓值變為uA′O，uB′O，uC′O。分析表明，只要三個電壓端點中任意兩個端點的縱軸方向距離都小于等于VD，即輸出線電壓uAB，uBC，uCA變化范圍落入-VD～+VD，則上述疊加共模電壓的方法總能得到實現，并且這個共模電壓可以在一段范圍內任意取值，如附圖5所示狀況下其可取的最小值為
而如果輸出線目標電壓值變化范圍超出了-VD～+VD，此時無論怎么選擇共模電壓都不能保證三個電壓端點同時落入
范圍，這種狀況對應著過調制情況。此時，輸出電壓矢量的幅值已不能保證，因此退而求其次，僅保證電壓矢量方向不變，即保證三相目標電壓值的比例關系不變。為了使線電壓變化范圍落入-VD～+VD，此時首先需要將每相目標電壓值共同縮小
再進行疊加共模電壓的算法即可。
實際控制系統中最終需求取每相調制占空比DA，DB，DC，在常用的集成電路構成的控制系統中，還需求出PWM電路的三個比較寄存器值。由于每相占空比由0變化到最大值1時，對應相電壓線性地從
變化到
由此可以根據得到的每相目標電壓值計算出相應的占空比。將該占空比通過PWM電路的比較寄存器輸出即可實現所需目標電壓。
權利要求
1.一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法，其特征在于，所述方法是在集成電路中依次以以下步驟實現的
步驟(1)、向所述集成電路中輸入三相瞬時值形式的目標電壓值uAO，uBO，uCO；
步驟(2)、按下式去除所述三相瞬時值形式的目標電壓中已有的共模電壓，得到
步驟(3)、按下式判斷步驟(2)中得到的已去除共模電壓的目標電壓值
是否已進入過調制區
max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，
其中VD為直流母線電壓，uAB，uBC，uCA為瞬時值形式的線電壓目標值；
若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)≤VD，則未進入過調制區，每相目標電壓值仍為步驟(2)中的
表示為
若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，則已進入過調制區，所述每相目標電壓值變為
步驟(4)、按下式判斷是否需要在步驟(3)得到的所述每相目標電壓值中疊加最小瞬時共模電壓
若則無需疊加共模電壓，每相目標電壓值仍為步驟(3)中的
表示為
若需疊加共模電壓，則
當所對應的相電壓時，每相目標電壓值為
當所對應的相電壓時，每相目標電壓值為
步驟(5)、按下式計算脈寬調制占空比
步驟(6)、輸出三路脈寬調制電路PWM的比較寄存器值
其中TX_PR為集成電路中PWM計數器的周期寄存器值或載波周期。
2.根據權利要求1所述的一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，當輸入的是靜止坐標系下矢量形式的目標電壓值uα，uβ，則要按下式進行靜止的2/3變換，然后開始轉入步驟(3)直接進行過調制判斷
其后步驟與權利要求1所述后續步驟一致。
3.根據權利要求1所述的一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，當輸入的是旋轉坐標系下的目標電壓值ud，uq，則要按下式進行旋轉2/3變換，然后開始轉入步驟(3)直接進行過調制判斷
其中θ為旋轉dq坐標系相對于靜止ABC坐標系的轉角，其后步驟與權利要求1所述后續步驟一致。
全文摘要
一種基于瞬時最小共模電壓疊加的脈寬調制方法，屬于電力電子變換裝置的脈寬調制控制技術領域。其特征在于，當集成電路輸入一個瞬時值形式或矢量形式的目標電壓值時，在經過坐標變換和去除共模電壓處理后，根據逆變裝置的輸出限制，首先以線電壓是否落入-VD～+VD范圍為條件，進行過調制判斷，其中VD為直流母線電壓；如進入過調制區，則等比例縮小相電壓目標值，使線電壓落入-VD～+VD范圍；之后將得到的相電壓目標值都疊加一個最小的共模電壓，使其落入-(VD/2)～+(VD/2)范圍；之后即可計算每相脈寬調制占空比。與目前常用的空間矢量調制方法相比，本方法可使共模電壓最大程度地減小，達到該類方法在理論上所能達到的最小值，且計算過程更為簡單。
文檔編號H02M7/5387GK101359881SQ20081022302
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者曦 肖 申請人:清華大學