一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱pwm調(diào)制的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，包括以下步驟：根據(jù)變流器輸出頻率選擇不同的調(diào)制方式；在高頻段，不同基波頻率段使用不同的FR；采用鎖相環(huán)方法將離散給定角度轉(zhuǎn)換為相對(duì)連續(xù)的給定角度，將三角載波的自變量從時(shí)間t改為相角θu，且讓載波在θu=0時(shí)位于三角波頂點(diǎn)，從而進(jìn)行高頻段基波與三角載波的同步與對(duì)正；將FR的轉(zhuǎn)換限制在相位角θuL=0、2π/3、4π/3處，進(jìn)行高頻段FR的無(wú)突變平穩(wěn)切換；通過(guò)接通或斷開(kāi)鎖相環(huán)反饋通道，進(jìn)行低頻段異步調(diào)制和高頻段同步調(diào)制間的平滑過(guò)渡。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，將其應(yīng)用于電壓源型兩電平或中點(diǎn)鉗位三電平逆變器，能在低開(kāi)關(guān)頻率下獲得較小諧波的同時(shí)，使系統(tǒng)具有一定快速響應(yīng)能力。
【專利說(shuō)明】—種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于變頻【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，兩電平及中點(diǎn)鉗位三電平逆變器已在交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)及變頻電源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在大功率變頻裝置中，隨器件電壓升高、功率加大，開(kāi)關(guān)損耗隨之加大，為了提高裝置輸出功率要求，則需要降低PWM的開(kāi)關(guān)頻率。以6.5kV600AIGBT為例，若開(kāi)關(guān)頻率fs從800Hz降至200Hz，它的最大輸出電流有效值大約增加一倍。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs降低后，每個(gè)輸出基波周期(Ι/fl)中的PWM方波數(shù)(頻率比FR=fSp/fl，fSp是PWM調(diào)制頻率，兩電平變換器fsp=fs，三電平變換器fsp=2fs，因?yàn)槿娖阶儞Q中的開(kāi)關(guān)器件只在半個(gè)基波周期中有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，另半個(gè)周期不動(dòng)作)減少，再采用常規(guī)的固定周期(異步調(diào)制)三角載波法(TC-PWM)或電壓空間矢量法(SV-PWM)產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸出波形中諧波太大，無(wú)法正常工作。
[0003]要減小諧波，一個(gè)常用的措施是采用同步對(duì)稱的優(yōu)化PWM策略。同步指每個(gè)基波周期中的PWM方波個(gè)數(shù)FR為整數(shù)。對(duì)稱有三重含義:1/4對(duì)稱一基波1/4周期中的PWM方波波形左右對(duì)稱；1/2對(duì)稱一基波1/2周期中的PWM方波波形正負(fù)半周對(duì)稱；三相對(duì)稱一三相PWM方波波形相同，但相位互差120°。常規(guī)的TC-PWM或SV-PWM周期固定，不隨基波周期和相位變化而變化，它們是異步且不對(duì)稱的PWM。優(yōu)化PWM是在同步對(duì)稱基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小諧波的調(diào)制方法，常用的優(yōu)化PWM策略有兩種:指定諧波消除法(SHE-PWM)和電流諧波最小法(CHM-PWM)。圖1給出了在開(kāi)關(guān)頻率為200Hz時(shí)按常規(guī)SV-PWM和按CHM-PWM得到的三電平逆變器電流波形圖，從圖中看出，在低開(kāi)關(guān)頻率時(shí)同步對(duì)稱的優(yōu)化PWM效果明顯。
[0004]同步對(duì)稱的PWM策略通常只適合V/F控制系統(tǒng)，因?yàn)樗喙ぷ饔诜€(wěn)態(tài)，不要求輸出電壓基波頻率、幅值和相位突變。對(duì)于高性能系統(tǒng)，例如矢量控制系統(tǒng)，它的基波頻率、幅值和相位隨時(shí)都在變化，要想實(shí)現(xiàn)同步且對(duì)稱很困難。現(xiàn)在常用的同步對(duì)稱優(yōu)化PWM策略(SHE-PWM和CHM-PWM)都是對(duì)應(yīng)每個(gè)不同的調(diào)制深度M和1/4基波周期開(kāi)關(guān)次數(shù)N事先離線求解開(kāi)關(guān)角值，將其結(jié)果存于控制模式表P (M，N)中，工作時(shí)調(diào)用。V/F控制系統(tǒng)一個(gè)基波周期調(diào)用一次，沒(méi)問(wèn)題，但是，矢量控制系統(tǒng)要求途中隨時(shí)更換所調(diào)用的角度值，將引起PWM波形紊亂，導(dǎo)致過(guò)流故障。為解決這問(wèn)題，德國(guó)Holtz教授提出了基于CHM-PWM的軌跡跟蹤方法，并成功用于Siemens公司的三電平逆變器，開(kāi)關(guān)頻率200Hz，轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)1.5ms，但其技術(shù)方案相當(dāng)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、諧波小且響應(yīng)速度快的在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法。
[0006]本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:[0007]一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1、根據(jù)變流器輸出頻率選擇不同的調(diào)制方式:在低頻段采用異步調(diào)制方式，在高頻段采用次最優(yōu)PWM調(diào)制方式；
[0009]步驟2、在高頻段，不同基波頻率段使用不同調(diào)制頻率與基波頻率比FR ；
[0010]步驟3、采用鎖相環(huán)方法將離散給定角度轉(zhuǎn)換為相對(duì)連續(xù)的給定角度，將三角載波的自變量從時(shí)間t改為相角eu，且讓載波在eu=o時(shí)位于三角波頂點(diǎn)，從而進(jìn)行高頻段基波與三角載波的同步與對(duì)正；
[0011]步驟4、將分段同步調(diào)制頻率與基波頻率比FR的轉(zhuǎn)換限制在相位角Θ uL=0,2 /3、4 π /3處，進(jìn)行高頻段FR的無(wú)突變平穩(wěn)切換；
[0012]步驟5、通過(guò)接通或斷開(kāi)鎖相環(huán)反饋通道，進(jìn)行低頻段異步調(diào)制和高頻段同步調(diào)制間的平滑過(guò)渡。
[0013]而且，所述次最優(yōu)PWM調(diào)制是在三相正弦給定電壓uK、us、uT中加入幅值為0.25M的3倍頻零序偏置電壓Utl ;其中，M為調(diào)制系數(shù)。
[0014]而且，所述的3倍頻零序偏置電壓Utl計(jì)算方法為:
[0015]U0 = - [max (uE, Us, uT) +min (uE, us, uT) ] 2
[0016]或
[0017]U0 = 0.25Msin3 ω t
[0018]式中:max (uK, us, uT)和min (uK, us, uT)表示取uK、us、uT三個(gè)量的最大和最小值。
[0019]而且，所述調(diào)制頻率與基波頻率比FR取值為9、15、21，相應(yīng)的PWM信號(hào)發(fā)生器采用3的奇數(shù)整倍數(shù)的PWM信號(hào)發(fā)生器。
[0020]而且，所述鎖相環(huán)由積分調(diào)節(jié)器、壓頻變換器V/f和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，通過(guò)相位角閉環(huán)，使鎖相環(huán)輸出eu』=0u*=0u，并構(gòu)成三角載波，其中，是連續(xù)變量，θ:和
是電壓給定矢量和逆變器輸出電壓矢 量的相位角。
[0021]而且，所述三角載波的構(gòu)成方法為:事先離線計(jì)算出FR=9，15和21時(shí)0_2 π之間各Θ u角對(duì)應(yīng)的載波值，工作時(shí)不斷根據(jù)調(diào)用載波值去和加入零序電壓Utl后的三相參考電壓1?, urs, urT進(jìn)行比較；對(duì)于兩電平逆變器，比較結(jié)果就是PWM信號(hào)；對(duì)于三電平逆變器，需要在三個(gè)加Utl后的三相參考電壓分別加0.5和減0.5，使每個(gè)信號(hào)分解成上、下兩個(gè)分信號(hào)，兩個(gè)分信號(hào)分別在PWMl和PWM2中與三角載波Ut比較，輸出方波脈沖，最后經(jīng)邏輯門(mén)綜合后輸出開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0023]本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，其根據(jù)變流器輸出頻率選擇不同的調(diào)制方式:在低頻段采用異步調(diào)制方式，在高頻段采用次最優(yōu)PWM調(diào)制方式，將其應(yīng)用于電壓源型兩電平或中點(diǎn)鉗位三電平逆變器，能在低開(kāi)關(guān)頻率下獲得較小諧波的同時(shí)，使系統(tǒng)具有一定快速響應(yīng)能力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1a是按常規(guī)SV-PWM得到的三電平逆變器電流波形圖況=33.5Hz，fs=200Hz)；
[0025]圖1b按常規(guī)CHM-PWM得到的三電平逆變器電流波形圖況=33.5Hz，fs=200Hz)；
[0026]圖2為R相正弦給定電壓uK，按式I計(jì)算的3倍頻零序偏置電壓Utl及與三角載波比較的R相參考電壓1?波形圖；[0027]圖3為R相正弦給定電壓uK，按式2計(jì)算的3倍頻零序偏置電壓Utl及與三角載波比較的R相參考電壓1?波形圖；
[0028]圖4為電壓矢量u及RST坐標(biāo)系示意圖；
[0029]圖5為鎖相環(huán)邏輯框圖，V/f是電壓/頻率變換器；
[0030]圖6為三電平逆變器及三角載波PWM信號(hào)發(fā)生器框圖，圖中PWMl和PWM2是兩個(gè)基于三角載波比較的PWM信號(hào)生成環(huán)節(jié)，&是與邏輯門(mén)，>是或邏輯門(mén)，I是非邏輯門(mén)；
[0031]圖7為FR=9的三角載波、與三角載波比較的離散后的相參考電壓及逆變器輸出相電壓波形示意圖；
[0032]圖8為FR=9和15的三角載波示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。
[0034]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，基于犧牲一點(diǎn)電流響應(yīng)速度的情況下，找到一種較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱優(yōu)化PWM的方法，使得逆變器在低開(kāi)關(guān)頻率下獲得較小諧波的同時(shí)，提高系統(tǒng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。通常的大功率矢量控制逆變器的轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)時(shí)間大約IOms,它己滿足各種大型機(jī)械的高性能調(diào)速要求,過(guò)快的響應(yīng)反而會(huì)損壞機(jī)械結(jié)構(gòu),最好能在基本不改變?cè)惺噶?控制框架的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變PWM實(shí)現(xiàn)方法來(lái)解決低開(kāi)關(guān)頻率問(wèn)題。下面對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，包括以下步驟:
[0036]步驟1、根據(jù)變流器輸出頻率使用不同的調(diào)制方式:在低頻段采用異步調(diào)制方式，在高頻段采用次最優(yōu)PWM調(diào)制方式。
[0037]由于現(xiàn)有的兩種優(yōu)化PWM策略:指定諧波消除法(SHE-PWM)和電流諧波最小法(CHM-PWM)，處理方法復(fù)雜，無(wú)法在線實(shí)時(shí)計(jì)算，很難實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。本發(fā)明在高頻段采用近似電流諧波最小的“次最優(yōu)PWM” (SuboptimalPWM)調(diào)制策略，在同步對(duì)稱基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小逆變器輸出諧波。
[0038]“次最優(yōu)PWM” (SuboptimalPWM)是在三相正弦給定電壓uK，Us, uT中加入幅值為
0.25M(M—調(diào)制系數(shù))的3倍頻零序偏置電壓Utl的同步對(duì)稱三角載波PWM，它是一種近似的電流諧波最小PWM。該調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)容易，可在線計(jì)算，容易做到控制系統(tǒng)的采樣和離散計(jì)算與PWM調(diào)制同步，容易在原有矢量控制框架的基礎(chǔ)上改造。加入零序偏置電壓Utl的另一個(gè)好處是可以把最大調(diào)制系數(shù)M從不加Utl時(shí)的1.0增大至1.12，從而使逆變器最大輸出電壓幅值增加12%。
[0039]本發(fā)明采用兩種3倍頻零序偏置電壓U。計(jì)算方法:
[0040]U0 = - [max (uE, Us, uT) +min (uE, us, uT) ] 2 (I)或
[0041]u0 = 0.25Msin3 ω t (2)
[0042]式中:max (uE, us, uT)和min (uE, us, uT)表示取uK、us、uT三個(gè)量的最大和最小值。按上二式計(jì)算得到的與三角載波比較的R相參考電壓(1?=?+?)波形見(jiàn)圖2和圖3。兩種方法比較，按式2調(diào)制時(shí)輸出諧波略小，但逆變器最大輸出電壓幅值比按式I調(diào)制約小2%。
[0043]雖然常規(guī)的三角載波PWM也常引入3倍頻零序偏置電壓u0，但是幅值是0.167M，它使逆變器最大輸出電壓幅值增加15%，但不具有抑制諧波的作用。[0044]步驟2、在高頻段，不同基波頻率段使用不同調(diào)制頻率與基波頻率比FR。
[0045]通過(guò)對(duì)調(diào)制頻率與基波頻率比FRzfslZf1分析可以看出:
[0046]若FR古整數(shù)，異步調(diào)制，相鄰基波中的PWM方波波形不同，導(dǎo)致在基波和特征諧波周?chē)霈F(xiàn)大量旁頻和非整數(shù)次的諧波。
[0047]FR=整數(shù)時(shí)，同步調(diào)制，相鄰基波中的PWM方波波形相同，沒(méi)有非整數(shù)次的諧波。但是若FR是偶數(shù)整數(shù)，則基波正負(fù)半周中的PWM方波波形不同(1/2不對(duì)稱)，導(dǎo)致出現(xiàn)許多較大偶次諧波。
[0048]若FR是奇數(shù)整數(shù)，但不是3的整倍數(shù)，在某一相實(shí)現(xiàn)1/4對(duì)稱時(shí)，另兩相1/4不對(duì)稱，造成線電壓1/4不對(duì)稱，導(dǎo)致出現(xiàn)幾個(gè)較大的三倍頻諧波。
[0049]若FR是3的奇數(shù)整倍數(shù)，且基波的最大值點(diǎn)與三角載波的頂點(diǎn)對(duì)正，則1/4對(duì)稱、1/2對(duì)稱及三相對(duì)稱，波形中只有特征諧波，符合同步對(duì)稱條件。
[0050]因此，本發(fā)明按照FR=9，15，21等3的奇數(shù)整倍數(shù)設(shè)計(jì)PWM信號(hào)發(fā)生器。在此基礎(chǔ)上，只要輸入的三相正弦給定電壓基波的最大值點(diǎn)與三角載波的頂點(diǎn)對(duì)正，則可1/4對(duì)稱、1/2對(duì)稱及三相對(duì)稱，逆變器輸出波形中只有特征諧波(特征諧波指5，7，11，13，…，等次諧波)。
[0051]采用同步調(diào)制后，每個(gè)輸出基波中的方波數(shù)FR固定，隨輸出基波頻率變化，器件的開(kāi)關(guān)頻率fs也隨之按比例變化。為避免開(kāi)關(guān)頻率變化范圍過(guò)大，采用分段同步策略。FR=9,15，21時(shí)，三電平逆變器的一種可能的基波頻率分段及調(diào)制頻率fsp和開(kāi)關(guān)頻率fs變化情況如下表所示:
【權(quán)利要求】
1.一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、根據(jù)變流器輸出頻率選擇不同的調(diào)制方式:在低頻段采用異步調(diào)制方式，在高頻段采用次最優(yōu)PWM調(diào)制方式； 步驟2、在高頻段，不同基波頻率段使用不同調(diào)制頻率與基波頻率比FR ； 步驟3、采用鎖相環(huán)方法將離散給定角度轉(zhuǎn)換為相對(duì)連續(xù)的給定角度，將三角載波的自變量從時(shí)間t改為相角Θ u，且讓載波在Θ u=0時(shí)位于三角波頂點(diǎn)，從而進(jìn)行高頻段基波與三角載波的同步與對(duì)正； 步驟4、將分段同步調(diào)制頻率與基波頻率比FR的轉(zhuǎn)換限制在相位角θΛ=0、2π/3、4 π /3處，進(jìn)行高頻段FR的 無(wú)突變平穩(wěn)切換； 步驟5、通過(guò)接通或斷開(kāi)鎖相環(huán)反饋通道，進(jìn)行低頻段異步調(diào)制和高頻段同步調(diào)制間的平滑過(guò)渡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于:所述次最優(yōu)PWM調(diào)制是在三相正弦給定電壓uK、us、uT中加入幅值為0.25M的3倍頻零序偏置電壓Utl ;其中，M為調(diào)制系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于:所述的3倍頻零序偏置電壓Utl計(jì)算方法為:
U0 = - [max (uE, us, uT) +min (uE, us, uT) ] 2 或
U0 = 0.25Msin3 ω t 式中:max (uE, us, uT)和min (uE, us, uT)表示取uK、us、uT三個(gè)量的最大和最小值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于:所述調(diào)制頻率與基波頻率比FR取值為9、15、21，相應(yīng)的PWM信號(hào)發(fā)生器采用3的奇數(shù)整倍數(shù)的PWM信號(hào)發(fā)生器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于:所述鎖相環(huán)由積分調(diào)節(jié)器、壓頻變換器V/f和計(jì)數(shù)器構(gòu)成，通過(guò)相位角閉環(huán)，使鎖相環(huán)輸出，并構(gòu)成三角載波，其中，是連續(xù)變量，θ:和eu分別是電壓給定矢量和逆變器輸出電壓矢量的相位角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種在閉環(huán)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步對(duì)稱PWM調(diào)制的方法，其特征在于:所述三角載波的構(gòu)成方法為:事先離線計(jì)算出FR=9，15和21時(shí)0-2 π之間各Θ aL角對(duì)應(yīng)的載波值，工作時(shí)不斷根據(jù)Θ d調(diào)用載波值去和加入零序電壓Utl后的三相參考電壓urE,urS,urT進(jìn)行比較；對(duì)于兩電平逆變器，比較結(jié)果就是PWM信號(hào)；對(duì)于三電平逆變器，需要在三個(gè)加Utl后的三相參考電壓分別加0.5和減0.5 ,使每個(gè)信號(hào)分解成上、下兩個(gè)分信號(hào)，兩個(gè)分信號(hào)分別在PWMl和PWM2中與三角載波Ut比較，輸出方波脈沖，最后經(jīng)邏輯門(mén)綜合后輸出開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H02M7/483GK103607127SQ201310591230
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】馬小亮, 金雪峰, 宋鵬, 伍豐林, 袁媛, 田凱, 張策, 姜一達(dá) 申請(qǐng)人:天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司