專利名稱:脈寬調(diào)制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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于電源或類似的電力系統(tǒng)的變換設(shè)備，尤其涉及一種脈寬調(diào)制方法和裝置。
背景技術(shù)：
變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。如圖1所示，在動力電源和電機(jī)之間串接入逆變器可以方便地實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運行指標(biāo)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(diào)制系數(shù)m；確定空間電壓指令矢量的位置角度θ從而確定用于合成空間電壓指令矢量V的基本電壓矢量VA、VB、VZ；根據(jù)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(guān)實現(xiàn)對逆變器電壓輸出和頻率輸出的控制。
以傳統(tǒng)三相調(diào)制技術(shù)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(guān)信號發(fā)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(diào)制系數(shù)m和空間電壓指令矢量V的位置角度θ后，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(guān)管有一個導(dǎo)通而另一個關(guān)閉，則逆變橋合理的開關(guān)狀態(tài)共八種。這8種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)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(jù)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(yīng)為V1、V3。零矢量的特征決定了調(diào)制技術(shù)為兩相調(diào)制還是三相調(diào)制。這里三相調(diào)制技術(shù)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=T×m×23sin(π3-θ)]]>TB=T×m×23sin(θ)]]>TZ＝T-TA-TBTZ1＝TZ2＝0.5TZ根據(jù)當(dāng)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的脈沖輸出波形。該波形為圖1中開關(guān)信號發(fā)生裝置23的輸出，以提供六路功率開關(guān)的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)對逆變器電壓輸出和頻率輸出的控制。
在采用以上傳統(tǒng)的空間電壓矢量PWM控制方法時，由PWM逆變器裝置驅(qū)動交流電機(jī)，輸出電壓所含的高次諧波會不可避免地產(chǎn)生噪聲，并且可能和交流電機(jī)本身固定振動頻率點諧振，使得機(jī)械振動和噪聲加劇。
由于傳統(tǒng)的空間電壓矢量PWM控制方法，無論是三相調(diào)制技術(shù)還是兩相調(diào)制技術(shù)，基本載波周期T一旦確定下來，每個PWM調(diào)制周期時間就隨之固定。這樣，所產(chǎn)生的噪聲是一系列固定在較窄頻帶上能量的表現(xiàn)，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(shù)倍的頻帶區(qū)域內(nèi)，這樣在人耳聽覺敏感的頻帶內(nèi)出現(xiàn)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(shù)倍的頻帶區(qū)域附近的EMI指標(biāo)變差。
已經(jīng)有一些方法應(yīng)用于噪聲的抑制，如改變電機(jī)設(shè)計、控制系統(tǒng)諧振的頻率點、提高載波等等，但這些方法或者是提高了設(shè)備成本，特別是在系統(tǒng)構(gòu)造完成之后；或者是對功率開關(guān)提出更高要求，并且?guī)黹_關(guān)損耗增加、溫升變大等不利因素。
還有一些是調(diào)整脈沖發(fā)生的位置，使輸出電壓的高次諧波成分的頻率在預(yù)定頻率范圍內(nèi)被分散，并且使輸出電壓的發(fā)生定時隨時間而變化，這種通過改變脈沖發(fā)生位置的方法也有一定的局限性，比如隨著當(dāng)脈寬調(diào)制的程度加深，可以用來調(diào)制脈沖位置的區(qū)域就變得越來越窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效且成本低的脈寬調(diào)制方法和裝置。
本發(fā)明所采用的方法為這種脈寬調(diào)制方法，其特征在于包括以下步驟1)產(chǎn)生基本載波周期T；2)確定變更調(diào)制區(qū)段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數(shù)；3)隨機(jī)產(chǎn)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(diào)制區(qū)段里，從所述N個變更量中分別選出最大值、最小值；該最大值和最小值將所述的變更調(diào)制區(qū)段分為一個、兩個或三個單調(diào)區(qū)間；在上述每個單調(diào)區(qū)間內(nèi)，對各變更量進(jìn)行單調(diào)性排序；再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(diào)制；所述變更調(diào)制區(qū)段長度的K倍為一個變更調(diào)制周期，其中K為整數(shù)，根據(jù)該變更調(diào)制周期對基本載波進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)；所述變更調(diào)制區(qū)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(jī)產(chǎn)生的若干個變更量中選擇出的N個變更量組成；所述的基本載波周期T變更量的調(diào)整范圍在ΔTmin與ΔTmax之間
ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，Pt為變更程度系數(shù)，-1＜Pt＜1，T為基本載波周期；所述的隨機(jī)產(chǎn)生是指采用如下控制結(jié)構(gòu)的隨機(jī)產(chǎn)生計算函數(shù)Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中MOD為取除法的余數(shù)，i為正整數(shù)，ΔT(k)中的k為1至N閉區(qū)間中的整數(shù)。
這種應(yīng)用上述脈寬調(diào)制方法的脈寬調(diào)制裝置，包括基本載波發(fā)生裝置(24)、開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)，其特征在于，還包括變更量產(chǎn)生裝置(25)，變更量疊加裝置(27)；所述基本載波發(fā)生裝置(24)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的基本載波周期T并傳送到所述變更量疊加裝置(27)，所述變更量產(chǎn)生裝置(25)產(chǎn)生若干組每組N個不全為零但總和為零的變更量ΔT(k)并傳送到所述變更量疊加裝置(27)；所述變更量疊加裝置(27)通過對每一基本載波周期T進(jìn)行脈寬調(diào)制將所述變更量ΔT(k)分別疊加到所述基本載波周期T上，使得調(diào)制后的載波周期為T+ΔT(k)；所述變更量疊加裝置(27)將形成調(diào)制后的載波輸出到所述開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)，由所述開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)輸出功率開關(guān)驅(qū)動信號。
本發(fā)明的有益效果為在本發(fā)明中，對于具有基本載波周期T的脈寬調(diào)制信號的載波周期進(jìn)行變更，各脈寬調(diào)制信號的載波周期相對于基本載波周期T的變更量限于調(diào)整范圍內(nèi)，且在一個為基本載波周期T整數(shù)倍的變更調(diào)制區(qū)段內(nèi)，各變更量的總和為零，這樣，可以通過定時按照一規(guī)律隨機(jī)函數(shù)的輸出，調(diào)整載波周期的大小，使得在每一段可控的變更調(diào)制區(qū)段內(nèi)，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(guān)損耗不變，而輸出電壓的噪聲頻譜分布發(fā)生變化，改變了原有傳統(tǒng)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)下輸出電壓頻譜的表現(xiàn)，噪聲諧波能量不再集中分布在和載波頻率成整數(shù)倍的頻帶內(nèi)，而是整個輸出電壓的噪聲頻譜變得連續(xù)而均勻，從而較大程度地避免了和機(jī)械本身固定振動點的諧振作用，并且使可聞的噪聲能量在一定范圍內(nèi)被平均化，從而達(dá)到保證電機(jī)平穩(wěn)行狀態(tài)下的音調(diào)調(diào)整和噪聲抑制，本發(fā)明無需對傳動系統(tǒng)中的硬件做改動，不會額外帶來功率開關(guān)損耗的增加，且實用過程中電機(jī)運行穩(wěn)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(dǎo)致電機(jī)運行振蕩的問題，因此，本發(fā)明效率高且成本低，適合于各類電機(jī)傳動的逆變器應(yīng)用。



圖1為一個由逆變器控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)示意圖；圖2為開關(guān)狀態(tài)和基本矢量電壓的對應(yīng)關(guān)系示意圖；圖3為用于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(qū)間的關(guān)系示意圖；圖4為未調(diào)整載波時的三相電壓波形示意圖；圖5為應(yīng)用本發(fā)明的逆變器控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)示意圖；圖6為本發(fā)明中幾個變更調(diào)制周期內(nèi)，載波周期變更的表現(xiàn)示意圖；圖7為本發(fā)明載波周期變化的三相輸出電壓波形示意圖；圖8為本發(fā)明中調(diào)制波波形示意圖；圖9為傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)下輸出電壓的頻譜示意圖；圖10為本發(fā)明輸出電壓的頻譜示意圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
根據(jù)圖5、圖6和圖7，應(yīng)用本發(fā)明的逆變器控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，如圖5所示，包括基本載波發(fā)生裝置24和開關(guān)信號發(fā)生裝置23，基本載波發(fā)生裝置24確定脈寬調(diào)制信號的基本載波周期T，開關(guān)信號發(fā)生裝置23輸出功率開關(guān)驅(qū)動信號，基本載波發(fā)生裝置24、變更量產(chǎn)生裝置25和變更量疊加裝置27構(gòu)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(guān)信號發(fā)生裝置23構(gòu)成逆變器，對三相電源1進(jìn)行逆變處理，控制三相交流電機(jī)3，其中變更量產(chǎn)生裝置25用于產(chǎn)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(jìn)行脈寬調(diào)制，使得調(diào)制后的載波周期為T+ΔT(k)，形成調(diào)制后的載波輸出到開關(guān)信號發(fā)生裝置23，開關(guān)信號發(fā)生裝置23輸出的驅(qū)動信號a、a’、b、b’、c、c’用以控制六個功率開關(guān)管S1～S6的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而控制三相輸出電壓A、B、C。
在本發(fā)明中，對于由基本載波發(fā)生裝置24確定脈寬調(diào)制信號的基本載波周期T，脈寬調(diào)制信號的載波周期進(jìn)行變更時，確定變更調(diào)制區(qū)段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數(shù)，隨機(jī)產(chǎn)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(diào)制區(qū)段里，將各變更量依次疊加到N個基本載波周期T上，在實際應(yīng)用中，變更調(diào)制區(qū)段長度的K倍為一個變更調(diào)制周期，其中K為整數(shù)，根據(jù)該變更調(diào)制周期對基本載波進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明中，基本載波周期T變更量的調(diào)整范圍在ΔTmin與ΔTmax之間ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，Pt為變更程度系數(shù)，-1＜Pt＜1為(-1，1)開區(qū)間的有理數(shù)，T為基本載波周期；調(diào)制后的脈寬調(diào)制載波周期為T+ΔT(k)，在確定了脈寬調(diào)制載波周期的基礎(chǔ)上，通過變更量產(chǎn)生裝置25和變更量疊加裝置27將這個變更結(jié)果傳遞至開關(guān)信號發(fā)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(diào)制周期設(shè)定為變更調(diào)制區(qū)段NT的K倍，其中K為整數(shù)，各載波周期為T+ΔT(k)，ΔT(k)為各載波周期相對于基本載波周期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(jī)產(chǎn)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(chǎn)生所述N個變更量后，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(qū)段分為一個、兩個或三個單調(diào)區(qū)間；在上述每個單調(diào)區(qū)間內(nèi)，對各變更量進(jìn)行單調(diào)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(jī)計算函數(shù)可采用如下的控制結(jié)構(gòu)Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{±MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中，MOD為取除法的余數(shù)，i為正整數(shù)。ΔT(k)中的k為1至N閉區(qū)間中的整數(shù)。
經(jīng)隨機(jī)計算可得ΔT(1)、ΔT(2)....ΔT(N)，每經(jīng)過變更調(diào)制周期KNT，均重復(fù)執(zhí)行上述計算，依次類推。
一般來說，變更調(diào)制區(qū)段的大小在8毫秒至16毫秒之間，現(xiàn)設(shè)Pt＝0.1，N＝64，K＝1，基本載波周期T為0.2mS，在這里變更調(diào)制區(qū)段為12.8毫秒，經(jīng)過幾個變更調(diào)制周期，載波周期變更的表現(xiàn)如圖6所示，載波周期的各變更量的值在發(fā)生的變更量最大值與最小值之間按變更順序呈現(xiàn)為單調(diào)變化狀態(tài)，在發(fā)生的變更量最小值a2點之后，對脈寬調(diào)制信號的變更在到達(dá)發(fā)生的變更量最大值a3點之前，脈寬調(diào)制信號的Pt值始終保持不減小趨勢，即相應(yīng)脈寬調(diào)制信號的ΔT在到達(dá)最大值之前始終保持不減小趨勢；同理，在發(fā)生的變更量最大值a3點之后，對脈寬調(diào)制信號的變更在到達(dá)發(fā)生的變更量最小值a4點之前，脈寬調(diào)制信號的Pt值始終保持不增大趨勢，即相應(yīng)脈寬調(diào)制信號的ΔT在到達(dá)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(jīng)過載波變更調(diào)制的載波周期T，圖8為采用本發(fā)明后其中兩相PWM輸出電壓在帶寬為500HZ濾波后的調(diào)制波表現(xiàn)，可以看出調(diào)制波波形對稱且失真度小，避免了因載波周期變換帶來的調(diào)制波失真而導(dǎo)致電機(jī)運行振蕩的問題。
圖9和圖10分別反映了傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)下輸出電壓的頻譜示意圖以及本發(fā)明輸出電壓的頻譜示意圖，顯示本發(fā)明使集中于載波整數(shù)倍帶寬內(nèi)的噪聲能量離散化，整個噪聲頻譜變得均勻而連續(xù)，對輸出電壓噪聲頻譜，以及在電機(jī)上所體現(xiàn)的運行平穩(wěn)度，音調(diào)表現(xiàn)等會產(chǎn)生良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種脈寬調(diào)制方法，其特征在于包括以下步驟1)產(chǎn)生基本載波周期T；2)確定變更調(diào)制區(qū)段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數(shù)；3)隨機(jī)產(chǎn)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(diào)制區(qū)段里，從所述N個變更量中分別選出最大值、最小值；該最大值和最小值將所述的變更調(diào)制區(qū)段分為一個、兩個或三個單調(diào)區(qū)間；在上述每個單調(diào)區(qū)間內(nèi)，對各變更量進(jìn)行單調(diào)性排序；再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(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的脈寬調(diào)制方法，其特征在于所述變更調(diào)制區(qū)段長度的K倍為一個變更調(diào)制周期，其中K為整數(shù)，根據(jù)該變更調(diào)制周期對基本載波進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的脈寬調(diào)制方法，其特征在于所述變更調(diào)制區(qū)段的大小在8毫秒至16毫秒之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的脈寬調(diào)制方法，其特征在于所述N個基本載波周期T的變更量，是由隨機(jī)產(chǎn)生的若干個變更量中選擇出的N個變更量組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或4所述的脈寬調(diào)制方法，其特征在于所述的基本載波周期T變更量的調(diào)整范圍在ΔTmin與ΔTmax之間ΔTmax＝+|Pt|*T；ΔTmin＝-|Pt|*T，其中，Pt為變更程度系數(shù)，-1＜Pt＜1，T為基本載波周期。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或4所述的脈寬調(diào)制方法，其特征在于所述的隨機(jī)產(chǎn)生是指采用如下控制結(jié)構(gòu)的隨機(jī)產(chǎn)生計算函數(shù)Xi+1＝29*Xi+37ΔT(k)∈{MOD(Xi/(N+1))*T*Pt/N}其中MOD為取除法的余數(shù)，ΔT(k)中的k為1至N閉區(qū)間中的整數(shù)，Pt為變更程度系數(shù)，-1＜Pt＜1，Xi為自然數(shù)，i為正整數(shù)，當(dāng)i＝1時，Xi取任一質(zhì)數(shù)。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求
1所述的脈寬調(diào)制方法的脈寬調(diào)制裝置，包括基本載波發(fā)生裝置(24)、開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)，其特征在于，還包括變更量產(chǎn)生裝置(25)，變更量疊加裝置(27)；所述基本載波發(fā)生裝置(24)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的基本載波周期T并傳送到所述變更量疊加裝置(27)，所述變更量產(chǎn)生裝置(25)產(chǎn)生若干組每組N個不全為零但總和為零的變更量ΔT(k)并傳送到所述變更量疊加裝置(27)；所述變更量疊加裝置(27)通過對每一基本載波周期T進(jìn)行脈寬調(diào)制將所述變更量ΔT(k)分別疊加到所述基本載波周期T上，使得調(diào)制后的載波周期為T+ΔT(k)；所述變更量疊加裝置(27)將形成調(diào)制后的載波輸出到所述開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)，由所述開關(guān)信號發(fā)生裝置(23)輸出功率開關(guān)驅(qū)動信號。
專利摘要
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于電源或類似的電力系統(tǒng)的變換設(shè)備的脈寬調(diào)制方法和裝置，其特征在于包括以下步驟產(chǎn)生基本載波周期T；確定變更調(diào)制區(qū)段，其長度為基本載波周期T的N倍，其中N為整數(shù)；隨機(jī)產(chǎn)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(diào)制區(qū)段里，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(diào)制，本發(fā)明使整個輸出電壓的噪聲頻譜變得連續(xù)而均勻，從而較大程度地避免了和機(jī)械本身固定振動點的諧振作用，效率高而且成本低，適合于各類電機(jī)傳動的逆變器應(yīng)用。
文檔編號H02M7/00GKCN1177405SQ02128897
公開日2004年11月24日 申請日期2002年8月20日
發(fā)明者姜仲文, 廖海平, 龔春文 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan