專利名稱：采用七段式空間矢量運(yùn)算法提高變頻器頻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻器頻率的控制方法，具體地說是一種采用七段式空間矢量 運(yùn)算法提高變頻器頻率的方法。
技術(shù)背景空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)實(shí)際上是對(duì)應(yīng)于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的三相電 壓逆變器的功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān) 觸發(fā)順序和組合將在電機(jī)定子三相繞組線圈中產(chǎn)生三相互差120度電角度波形 失真較小的正弦波電流。實(shí)踐證明，與直接的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)相比， SVPWM在輸出電壓或電機(jī)繞組線圈中的電流中會(huì)產(chǎn)生更少的諧波，提高了對(duì)電 壓源逆變器直流供電電源的利用率。因而，SVPWM技術(shù)在目前的變頻器上得到 了廣泛的應(yīng)用。SVPWM技術(shù)是通過與基本的空間矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)的組合，來獲得定 子的參考電壓矢量，大多數(shù)的變頻器采用的是5段式空間矢量運(yùn)算法，其算法 由于將零矢量集中插入，因此在低頻時(shí)明顯會(huì)出現(xiàn)輸出不平穩(wěn)的現(xiàn)象，現(xiàn)在常 用的變頻器存在如下缺點(diǎn)1、輸出信號(hào)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距較大，因而振動(dòng)大、噪音高； 2、運(yùn)算算法效率低下，很難進(jìn)一步提高輸出頻率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于尋求一種采用七段式空間矢量運(yùn)算法提高變頻器頻率的 方法。以提高驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)使變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩更大、振動(dòng)更小、噪 音更低。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方按，所述七段式空間失量運(yùn)算法提高變頻器頻率的方法包括步驟一、確定旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)空間電壓矢量的扇區(qū)號(hào)在每個(gè)PWM周期內(nèi)，根據(jù)電機(jī)電磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角e，利用公式s^nt(e/60)求得空間矢量所在扇區(qū)的扇區(qū)號(hào)S;其中，0°C<e<360°C， 0《S《5;步驟二、求得扇區(qū)號(hào)s后，再確定與該扇區(qū)相鄰的兩個(gè)基本矢量，并通過改變相鄰的兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，.來保證所合成的電壓空間矢量幅值相等， 為了要獲得每個(gè)矢量的作用時(shí)間，必須進(jìn)行快速的三角函數(shù)運(yùn)算和一系列變換運(yùn)算；步驟三、添加零電壓矢量為了使旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度平滑，將 零電壓矢量平均分成三次插入對(duì)應(yīng)的扇區(qū)，其具體插入順序是1) 每個(gè)扇區(qū)的開始插入一個(gè)零電壓矢量OOO，作用時(shí)間t0/4;2) 插入第一個(gè)非零電壓矢量，.作用時(shí)間tl/2;3) 插入第二個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t2/2;4) 插入零電壓矢量lll，作用時(shí)間t0/2;5) 插入第二個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t2/2;6) 插入第一個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間tl/2;7) 插入零電壓矢量000，作用時(shí)間t0/4。采用該運(yùn)算方法后，由于將零矢量分三段分別插入，由3段零矢量和4段 相鄰的2個(gè)非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM (脈寬調(diào)制)波的開始、 中間和結(jié)尾，如此使得每相每個(gè)PWM波輸出只使功率器件開關(guān)一次，使得輸出 信號(hào)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)距減小。特別在軟件技術(shù)上，采用了 "七段式空間矢量的運(yùn)算方法"，使交流電機(jī)產(chǎn) 生圓形磁場(chǎng)，減少電機(jī)產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器振動(dòng)更小，再加上"采用了對(duì) 稱的SVPWM的新技術(shù)"，使輸出信號(hào)的諧波更少，波形質(zhì)量清晰度更好，電源 電壓更穩(wěn)定。另外，采用特殊的運(yùn)算方法，進(jìn)一步提高了運(yùn)算效率，使載波頻 率最高可達(dá)25KHz，輸出頻率最高可達(dá)4500Hz，成為國內(nèi)首創(chuàng)。本發(fā)明有效提 高了普通變頻器的特性，填補(bǔ)了我國高頻變頻器的空白。廣泛應(yīng)用于高速切削 機(jī)床、高速氣流紡織機(jī)、航空航天等領(lǐng)域，深受客戶的青睞。上述每段的作用時(shí)間是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)參數(shù)而確定的，其中，t0是 零電壓矢量的總作用時(shí)間，tl是第一個(gè)非零電壓矢量總作用時(shí)間，t2是第二個(gè) 非零電壓矢量總作用時(shí)間。所有零電壓矢量的總累計(jì)時(shí)間是不變，這就是七段 式空間矢量運(yùn)算的基本定義。分三次插入零電壓矢量，就是為了要在每個(gè)階段，僅使輸出開關(guān)管開關(guān)一 次，從而減少驅(qū)動(dòng)管的功耗和加快程序執(zhí)行速度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、提高了變頻器的性能，簡(jiǎn)化了機(jī)器的操作，尤其在提 高變頻器頻率上有獨(dú)特效果。2、變頻器具有輸出轉(zhuǎn)矩更大、振動(dòng)更小、噪音更 低、功能更全等特點(diǎn)，特別在軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，效率更高。3、使交流電機(jī)產(chǎn)生 圓形磁場(chǎng)，減少電機(jī)產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器振動(dòng)更小，輸出信號(hào)的諧波更少， 波形質(zhì)量清晰更好，電源電壓更穩(wěn)定。


圖l是系統(tǒng)主程序框圖。圖2是周期中斷程序框圖。圖3是第1扇區(qū)位置PWM實(shí)例及其占空比。
具體實(shí)施方式
系統(tǒng)主程序中1、 上電復(fù)位當(dāng)3.3V電源電壓升到3V時(shí)，復(fù)位電路將產(chǎn)生一個(gè)150ms 的復(fù)位信號(hào)，使DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)芯片復(fù)位，然后，DSP開始工作。2、 DSP系統(tǒng)寄存器初始化DSP復(fù)位后，必須先設(shè)置其各種內(nèi)部寄存器的 工作參數(shù)，DSP才能正常運(yùn)行。必須設(shè)置的內(nèi)部寄存器有系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄 存器，1/0端口復(fù)用控制寄存器，AO端口數(shù)據(jù)和方向控制寄存器。3、 周期定時(shí)器初始化必須初始化以下寄存器，定時(shí)控制寄存器，周期寄 存器，比較寄存器，比較控制寄存器，比較方式控制寄存器，全局通用定時(shí)器 控制寄存器等。4、 使能中斷功能初始化以下寄存器，中斷標(biāo)志寄存器，中斷屏蔽寄存器， CPU中斷標(biāo)志寄存器，CPU中斷屏蔽寄存器等。 一5、 讀取系統(tǒng)工作參數(shù)從EEPROM中讀取變頻器的各種運(yùn)行參數(shù)到DSP的內(nèi)存中，供運(yùn)算使用。6、 進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)主程序首先檢查各個(gè)端口的狀態(tài)，判斷是否有報(bào)警異常發(fā)生，如果有異常立即報(bào)警。再檢査鍵盤輸入是否有按鍵，如有按鍵按下， 處理相應(yīng)的按鍵。在周期中斷1、 在每個(gè)PWM周期內(nèi)，根據(jù)電機(jī)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角e及函數(shù)S^nt(e/60)(是 求整數(shù)函數(shù))求得空間矢量所在的扇區(qū)號(hào)S。在每個(gè)PWM周期內(nèi)，根據(jù)電機(jī)磁 場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角，用上述快速算法迅速求得空間矢量所在的扇區(qū)號(hào)。2、 求得扇區(qū)號(hào)S后，就可以確定該扇區(qū)相鄰的兩個(gè)基本矢量，通過改變相 鄰的兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，來保證所合成的電壓空間矢量幅值相等，為了 要獲得每個(gè)矢量的作用時(shí)間，必須進(jìn)行快速的三角函數(shù)運(yùn)算，此運(yùn)算速度和精 度將影響到最高載波頻率和輸出波形的質(zhì)量。因此，必須進(jìn)行快速和高精度的 運(yùn)算，所以采用了帶內(nèi)部插值函數(shù)的快速運(yùn)算算法，來滿足要求。3、 添加零電壓矢量為了使功率開關(guān)管的功率損耗最小，需要添加零電壓 矢量；為了使磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度平滑，零電壓矢量不是集中插入，而是將其平均 分成三次插入，但其作用的累積時(shí)間是不變的，其具體實(shí)現(xiàn)順序是1) 每個(gè)扇區(qū)的開始插入一個(gè)零電壓矢量OOO，作用時(shí)間t0/4;2) 插入第一個(gè)非零電壓矢量OIO，作用時(shí)間tl/2;3) 插入第二個(gè)非零電壓矢量110，作用時(shí)間t2/2;4) 插入零電壓矢量lll，作用時(shí)間t0/2;5) 插入第二個(gè)非零電壓矢量110，作用時(shí)間t2/2;6) 插入第一個(gè)非零電壓矢量OIO，作用時(shí)間tl/2;7) 插入零電壓矢量OOO，作用時(shí)間t0/4。 上述每段的作用時(shí)間是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)參數(shù)而確定的，t0是零電壓矢量的總作用時(shí)間，tl是第一個(gè)非零電壓矢量總作用時(shí)間，t2是第二個(gè)非零電 壓矢量總作用時(shí)間，零電壓矢量是產(chǎn)生零輸出電壓的一種功率管的開關(guān)狀態(tài)， 非零電壓矢量是產(chǎn)生有效的非零輸出電壓的另一種功率管的開關(guān)狀態(tài)。采用本發(fā)明提供的技術(shù)后，進(jìn)一步提高了運(yùn)算效率，使載波頻率最高可達(dá) 25KHz，輸出頻率最高可達(dá)4500Hz，成為國內(nèi)首創(chuàng)。本發(fā)明有效提高了普通變 頻器的特性，填補(bǔ)了我國高頻變頻器的空白。廣泛應(yīng)用于高速切削機(jī)床、高速 氣流紡織機(jī)、航空航天等領(lǐng)域，深受客戶的青睞。圖3中，"t0/4"是指零電壓矢量的總作用時(shí)間"t0"的四分之一時(shí)間，同理 "tl/2"指第一個(gè)非零電壓矢量總作用時(shí)間"tl"的二分之一，依此類推；"000"、 "111"指零電壓矢量，所示的3根曲線U、 V、 W分別代表在一個(gè)周期中的三 路PWM波型曲線。
權(quán)利要求
1、一種采用七段式空間矢量運(yùn)算法提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的方法，其特征是步驟一、確定旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)空間電壓矢量的扇區(qū)號(hào)在每個(gè)PWM周期內(nèi)，根據(jù)電機(jī)電磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角θ，利用公式S＝Int(θ/60)求得空間矢量所在扇區(qū)的扇區(qū)號(hào)S；其中，0℃＜θ＜360℃，0≤S≤5；步驟二、求得扇區(qū)號(hào)S后，再確定與該扇區(qū)相鄰的兩個(gè)基本矢量，并通過改變相鄰的兩個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，來保證所合成的電壓空間矢量幅值相等，為了要獲得每個(gè)矢量的作用時(shí)間，必須進(jìn)行快速的三角函數(shù)運(yùn)算和一系列變換運(yùn)算；步驟三、添加零電壓矢量為了使旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度平滑，將零電壓矢量平均分成三次插入對(duì)應(yīng)的扇區(qū)，其具體插入順序是1)每個(gè)扇區(qū)的開始插入一個(gè)零電壓矢量000，作用時(shí)間t0/4；2)插入第一個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t1/2；3)插入第二個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t2/2；4)插入零電壓矢量111，作用時(shí)間t0/2；5)插入第二個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t2/2；6)插入第一個(gè)非零電壓矢量，作用時(shí)間t1/2；7)插入零電壓矢量000，作用時(shí)間t0/4。上述每段的作用時(shí)間是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)參數(shù)而確定的，其中，t0是零電壓矢量的總作用時(shí)間，t1是第一個(gè)非零電壓矢量總作用時(shí)間，t2是第二個(gè)非零電壓矢量總作用時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明涉及變頻器頻率的控制方法，具體地說是一種采用七段式空間矢量運(yùn)算法提高變頻器頻率的方法。本發(fā)明采用了“七段式空間矢量”的運(yùn)算方法，使交流電機(jī)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)，減少電機(jī)產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器振動(dòng)更小，再加上“采用了對(duì)稱的SVPWM的新技術(shù)”使輸出信號(hào)的諧波少，波形質(zhì)量清晰更好，電源電壓更穩(wěn)定。另外，采用特殊的運(yùn)算方法，進(jìn)一步提高了運(yùn)算效率，使載波頻率最高可達(dá)25KHz，輸出頻率最高可達(dá)4500Hz，成為國內(nèi)首創(chuàng)。本發(fā)明有效提高了普通變頻器的特性，填補(bǔ)了我國高頻變頻器的空白。廣泛應(yīng)用于高速切削機(jī)床、高速氣流紡織機(jī)、航空航天等領(lǐng)域，深受客戶的青睞。
文檔編號(hào)H02P27/04GK101237216SQ200810018898
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者包宇明, 李學(xué)浩 申請(qǐng)人:無錫市中遠(yuǎn)工業(yè)自動(dòng)化有限公司