一種低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其步驟為：（1）在離線狀態(tài)下，以消除特定次電流諧波為目標(biāo)，采用優(yōu)化算法以調(diào)制比為變量進行計算，計算出每種分頻數(shù)下對應(yīng)的開關(guān)角；（2）對計算出來的開關(guān)角提出了評判和取舍原則：如得到的定子磁鏈形狀為規(guī)則的6邊形或18邊形或30邊形，即邊形數(shù)相差12時則采納，否則摒棄；（3）將與調(diào)制比相對應(yīng)的開關(guān)角按順序存儲于硬件中固定位置或進行曲線擬合得到調(diào)制比與開關(guān)角的對應(yīng)關(guān)系；（4）系統(tǒng)實際運行過程中，根據(jù)調(diào)制比和分頻數(shù)進行查表或計算得到各個開關(guān)角。本發(fā)明具有能有效消除特定次諧波以降低系統(tǒng)噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動，同時可極大提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性等優(yōu)點。
【專利說明】一種低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到交流傳動系統(tǒng)領(lǐng)域，特指一種適用于交流傳動系統(tǒng)的低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]交流傳動系統(tǒng)是指以交流電機為控制對象，對電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的新型傳動系統(tǒng)。與直流傳動系統(tǒng)相比，交流傳動系統(tǒng)具有良好的牽引性能，功率因素高，體積小，重量輕，運行可靠。交流傳動系統(tǒng)正逐步取代直流傳動系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)，國民生活和國家國防的各個領(lǐng)域。
[0003]交流傳動系統(tǒng)一般由控制系統(tǒng)、主回路和控制對象等構(gòu)成,其中主回路包括直流母線，直流支撐電容，以及由功率開關(guān)半導(dǎo)體器件組成的變流器；控制系統(tǒng)則是基于微處理器硬件平臺上，運用各種控制算法進行交流電機控制的實時控制系統(tǒng)。它通過對傳動系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)速、電機電流和直流母線電壓等信號的采集和處理，根據(jù)要求的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩指令，控制主回路中功率半導(dǎo)體器件的通斷進行PWM控制以調(diào)節(jié)作用于電機的交流電壓的幅值和頻率，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的控制。
[0004]PWM是交流傳動控制系統(tǒng)中極其重要組成部分，該部分的功能是根據(jù)輸入的參考電壓和當(dāng)前直流母線電壓，調(diào)節(jié)控制主回路功率半導(dǎo)體器件通斷的脈沖信號的寬度，使主回路輸出的基波電壓等于輸入的參考電壓。隨著數(shù)字計算機和微處理器的高速發(fā)展，基于空間矢量的SVPWM已成為廣泛使用的PWM方法。SVPWM調(diào)制方法是基于電機磁鏈軌跡跟蹤的控制思想而得到的一種PWM方法。對于交流電機，在忽略定子電阻時，電機定子電壓空間矢量的積分即電機定子磁鏈空間矢量，因此控制作用于電機的電壓矢量(大小和方向)以及該電壓矢量的作用時間，就能控制電機的磁場軌跡。然而，由于變流器輸出電平個數(shù)的限制，變流器實際僅能輸出數(shù)量有限的電壓矢量(這些電壓矢量稱為基本矢量)，作用在電機的理想電壓矢量及其作用時間，只能按照磁`鏈軌跡不變的原則，分配給某些基本矢量去分別作用來完成。下面以二電平電壓型變流器說明SVPWM的原理。
[0005]圖1給出了 SVPWM的電壓空間矢量圖形，其中f。是基本矢量，F(xiàn)1稱為有效矢量f) V1則稱為零矢量。根據(jù)伏秒平衡的原則，在扇區(qū)I有下式(I):
廣(左+1)77.a
[0006]￡r Vse~t = V1T1 + V2T2 + VmillT0C I
[0007]其中，I\、TdP Ttl分別是基本矢量0、匕和I"的作用時間，由下(2)計算可得，m為調(diào)制比。
T1 =^mT§ιη(π/3-Θ)
[0008]J 7； =V/3/?7'sin(<9)(2)
T0=T-T1-T2[0009]根據(jù)載波比是否恒定，PWM可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。無論變流器輸出基波電壓的頻率如何變化，異步調(diào)制時變流器開關(guān)頻率保持不變，因此開關(guān)頻率與基波頻率無關(guān)。由于開關(guān)頻率同基波頻率無關(guān)，因此異步調(diào)制時變流器輸出的三相交流電壓不對稱，會造成電機三相不平衡。但如果開關(guān)頻率足夠高或基波頻率很低，由異步調(diào)制造成的三相不平衡幾乎可以忽略。因此，異步調(diào)制一般應(yīng)用于小功率傳動系統(tǒng)或大功率傳動系統(tǒng)的低速區(qū)。
[0010]同步調(diào)制時，變流器開關(guān)頻率同變流器輸出基波頻率之間嚴格地保持比例關(guān)系，開關(guān)頻率隨著基波頻率的變化而變化。相對于異步調(diào)制，同步調(diào)制的一個顯著優(yōu)點是不僅能夠一直保持變流器輸出三相交流電壓的對稱，而且能夠?qū)崿F(xiàn)相電壓的半波對稱和1/4波對稱從而削弱低次諧波，或者直接消除某些特定的諧波。對于開關(guān)頻率較低的大功率交流傳動系統(tǒng)，這意味著在毋需提高開關(guān)頻率就能顯著地降低電機轉(zhuǎn)矩脈動。由于具有上面的特點，同步調(diào)制常用于大功率傳動系統(tǒng)的中高速區(qū)。
[0011]實際控制系統(tǒng)應(yīng)用中，將異步調(diào)制和冋步調(diào)制有機結(jié)合起來。在一定頻率下米用異步調(diào)制，在一定頻率上采用同步調(diào)制。同時考慮到變流器的物理極限開關(guān)頻率，把變流器輸出頻率范圍劃分成若干個頻率段，每個頻率段內(nèi)保持載波比為恒值，不同頻率段的載波比不同，頻率段與載波比的關(guān)系如圖2所示。
[0012]圖中實線的斜率即為載波比，隨著調(diào)制波頻率的增加而分段增加，上面的虛線即為變流器的開關(guān)頻率上限。O~或者f2~f3即為一個頻率段。用表格表示如下，一個頻率段對應(yīng)一個載波比。
[0013]表1各個頻率段的載波比N
【權(quán)利要求】
1.一種低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其特征在于，其步驟為: (1)在離線狀態(tài)下，以消除特定次電流諧波為目標(biāo)，采用優(yōu)化算法以調(diào)制比為變量進行計算，計算出每種分頻數(shù)下對應(yīng)的開關(guān)角； (2)對計算出來的開關(guān)角提出了評判和取舍原則:如得到的定子磁鏈形狀為規(guī)則的6邊形或18邊形或30邊形，即邊形數(shù)相差12時則采納，否則摒棄； (3)將與調(diào)制比相對應(yīng)的開關(guān)角按順序存儲于硬件中固定位置或進行曲線擬合得到調(diào)制比與開關(guān)角的對應(yīng)關(guān)系； (4)系統(tǒng)實際運行過程中，根據(jù)調(diào)制比和分頻數(shù)進行查表或計算得到各個開關(guān)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟(1)的具體流程為: (1.1)列寫特定次諧波消除技術(shù)非線性方程組:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟(1.3)的具體流程為: (1.3.1)建立特定次諧波消除技術(shù)非線性方程組的同倫算法模型； (1.3.2)設(shè)置牛頓迭代初值；在基波幅值小于1.0時，按下式給出迭代初值: α 1=60/2Ν
a k=a !+60(^1)/N, k=2, 3，—N 其中Ci1為第一個開關(guān)角，a k為第k個開關(guān)角； 而在基波幅值大于1.0時，按下式給出迭代初值: a 1=60/2Ν+30/(Ν+1)
a k=a !+60 (k-1) /N+30/ (N+l)，k=2, 3，...N
其中Ci1為第一個開關(guān)角，a k為第k個開關(guān)角； (1.3.3)用牛頓迭代法求解同倫方程，迭代計算公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟(1.2)的具體流程為: (1.2.1)三角函數(shù)等效變換是根據(jù)代數(shù)理論中“任意奇數(shù)倍角余弦函數(shù)均可以展開為其一倍角余弦函數(shù)冪的多項式的形式”這一理論進行轉(zhuǎn)換的，其公式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的低開關(guān)頻率下高動態(tài)響應(yīng)脈寬調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟(1.1)的具體流程為: (1.1.1)三相PWM逆變器輸出電壓的傅里葉級數(shù)表達式為:
【文檔編號】H02P27/08GK103825529SQ201410068675
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】馮江華, 尚敬, 梅文慶, 劉勇, 劉良杰, 甘韋韋, 周志宇, 江平, 胡仙, 賈巖 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司