三相交流电动机PWM控制的通用脉宽占空比确定方法
阅读：107发布：2020-08-23
专利汇可以提供三相交流电动机PWM控制的通用脉宽占空比确定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于三相交流 电动机 PWM(脉冲宽度调制)控制的通用脉宽占空比确定方法，包括步骤：确定三相交流电动机的归一化三相 电流 给定值Ia、Ib、Ic；根据归一化 三相电流 给定值Ia、Ib、Ic计算每两相电流差Iab、Ibc、Ica；计算每两相电流差的绝对值的最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}；根据max{|Iab|，|Ibc|，Ica|}的三种情况通过四则运算确定三相脉冲占空比ka、kb、kc。该方法与常规六扇区矢量分解方法确定三相脉冲占空比比较，结果相同，但由于过程简单且避免了复杂的扇区判断和三 角 函数运算，其实现代码量少，占用 硬件 资源少，计算效率高，且可以实现包括SPWM(正弦 脉宽调制 )和SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制方式的多种PWM控制方式，特别适用于三相交流电动机的高 精度 SVPWM控制。，下面是三相交流电动机PWM控制的通用脉宽占空比确定方法专利的具体信息内容。
1.一种用于三相交流电动机PWM控制实现包括SPWM控制方式和SVPWM控制方式的通用脉宽占空比确定方法，包括步骤：
确定所述三相交流电动机的归一化三相电流给定值Ia、Ib、Ic，-1≤Ia、Ib、Ic≤1；
其特征是还包括步骤：
根据所述归一化三相电流给定值Ia、Ib、Ic按照公式(1)计算归一化三相电流的每两相电流差Iab、Ibc、Ica
Iab＝Ia-Ib
Ibc=Ib-Ic（1）
Ica＝Ic-Ia
计算所述归一化三相电流的每两相电流差Iab、Ibc、Ica的绝对值|Iab|、|Ibc|、|Ica|的最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}；
当所述最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}为所述A、B两相电流差Iab的绝对值|Iab|时，按公式(2)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
kb＝-ka (2)
当所述最大值max{|Iab|，|Ibc||Ica|}为所述B、C两相电流差Ibc的绝对值|Ibc|时，按公式(3)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
kc＝-kb (3)
当所述最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}为所述C、A两相电流差Ica的绝对值|Ica|时，按公式(4)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
ka＝-kc (4)
所述公式(2)、(3)和(4)中，p是比例系数，
2.根据权利要求1的通用脉宽占空比确定方法，其特征是当采用所述SPWM控制方式时，其中所述的公式(2)、(3)和(4)中的比例系数p＝1。
3.根据权利要求1的通用脉宽占空比确定方法，其特征是当采用所述SVPWM控制方式时，其中所述的公式(2)、(3)和(4)中的比例系数
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求的通用脉宽占空比确定方法，其特征是其中所述的三相交流电动机是旋转电动机。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求的通用脉宽占空比确定方法，其特征是其中所述的三相交流电动机是直线电动机。
三相交流电动机PWM控制的通用脉宽占空比确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种三相交流电动机PWM(脉冲宽度调制)控制的通用脉宽占空比的确定方法，特别是涉及一种避免复杂的扇区判断和矢量分解，并可以实现包括SPWM(正弦脉宽调制)方式和SVPWM(空间矢量脉宽调制)方式在内的通用脉宽占空比的确定方法。
背景技术
[0002] 目前，在开关电源、电机控制等需要实现功率逆变功能的装置中，PWM控制已经成为应用最广泛的控制方式。PWM控制的理论依据是采样控制理论中的冲量守恒原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用到惯性环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该原理为依据，通过按照一定的规则，控制半导体开关器件的导通和关断，来获得一系列等幅而不等宽的脉冲。如果按照正弦规律来控制这些脉冲的宽度，那么，将其施加到如电机等惯性环节上，就会获得如同正弦波一样的作用效果。
[0003] 在图1所示的三相电机PWM控制原理电路图中，PWM控制器分别向直流电源逆变器的三相逆变桥上、下桥臂的开关三极管施加控制信号，使三相逆变桥向三相电动机M输出宽度可控的三相脉冲，驱动电机以指定的方向和速度旋转。
[0004] 事实上，PWM控制的基本原理虽然早就提出，但是受电力电子器件性能的制约，在上世纪20世纪80年代以前，在工程上一直未能得以广泛应用。20世纪80年代以来，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展、微处理器性能的提高，PWM控制技术才真正有了用武之地并获得了空前的发展。
[0005] 目前，在PMSM(三相永磁同步电机)的全数字控制上，PWM控制方式已经成为不二之选。针对PMSM的PWM控制方法从开始的SPWM控制方法业已发展到现在的SVPWM控制方法。
[0006] 与SPWM相比，SVPWM的优势在于能使直流电源的利用效率提高15.47％，但是，由于矢量分解的需要，将三相矢量空间分为六个扇区，如附图2所示，图中的Vr即需要分解的参考矢量，首先要判断Vr处于哪个扇区，然后选择作用矢量，将Vr分解为该扇区所对应的作用矢量分量(例如图2中的V1’和V2’)，还要按各矢量分量的大小计算确定其作用时间T(脉冲宽度)与采样周期Ts的比值(占空比)，其中的扇区判断和矢量分解需要进行三角函数和反三角函数运算，不仅算法复杂，编程代码量大，而且计算量也大，其代价是对处理器的运算能力要求更高。通常PWM控制器所采用的芯片运算速度与存储量均有限，因此，要实现PWM高精度控制必须简化PWM控制算法，以减少内存占用和提高运算效率。
发明内容
[0007] 本发明的目的是为三相交流电动机PWM控制提供一种简单通用的脉冲宽度占空比的确定方法，使其既适用于SPWM控制方式，也适用于SVPWM控制方式，同时避免复杂的扇区判断和矢量分解。所要解决的技术问题是通过比较给定的三相电流的每两相电流的差值的绝对值的大小，按照绝对值最大的电流差值确定三相电流脉冲宽度占空比。
[0008] 本发明的用于三相交流电动机PWM控制，可以实现包括SPWM控制方式和SVPWM控制方式的通用脉宽占空比确定方法，包括以下步骤：
[0009] 确定三相交流电动机的归一化三相电流给定值Ia、Ib、Ic(-1≤Ia、Ib、Ic≤1)；
[0010] 根据归一化三相电流给定值Ia、Ib、Ic按照公式(1)计算归一化三相电流的每两相电流差Iab、Ibc、Ica；
[0011] Iab＝Ia-Ib
[0012]
[0013] Ica＝Ic-Ia
[0014] 计算归一化三相电流的每两相电流差Iab、Ibc、Ica的绝对值|Iab|、|Ibc|、|Ica|的最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}；
[0015] 当最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}为A、B两相电流差Iab的绝对值|Iab|时，按公式(2)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
[0016]
[0017] 当最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}为B、C两相电流差Ibc的绝对值|Ibc|时，按公式(3)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
[0018]
[0019] 当最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}为C、A两相电流差Ica的绝对值|Ica|时，按公式(4)计算三相脉冲占空比ka、kb、kc：
[0020]
[0021] 公式(2)、(3)和(4)中，p是比例系数，
[0022] 进一步：
[0023] 本发明的通用脉宽占空比确定方法，当采用SPWM控制方式时，公式(2)、(3)和(4)中的比例系数p＝1。
[0024] 本发明的通用脉宽占空比确定方法，当采用SVPWM控制方式时，公式(2)、(3)和(4)中的比例系数
[0025] 更进一步：
[0026] 本发明的通用脉宽占空比确定方法，其中的三相交流电动机可以是旋转电动机。
[0027] 本发明的通用脉宽占空比确定方法，其中的三相交流电动机可以是直线电动机。
[0028] 本发明的通用脉宽占空比确定方法具有如下有益效果：
[0029] 1.通过改变公式(2)中的比例系数p的大小可以实现不同效果的PWM控制方式，例如当P取值为1时，相当于常规SPWM控制方式，当P取值为 时，即实现SVPWM控制方式。
[0030] 2.当采用SVPWM控制方式时，本发明方法的控制效果与常规六扇区矢量分解方法相同，但由于以比较三相电流差的绝对值大小代替矢量分解方法中的扇区判断确定作用矢量，并以简单的四则运算直接得出三相脉冲占空比，避免了矢量分解过程中复杂的三角函数和反三角函数运算，实施结果表明，实现本发明方法的可执行代码长度只有常规六扇区矢量分解方法确定占空比的可执行代码长度的1/4，运行效率提高17％，因此可降低对处理器的性能要求，提高运算速度，有利于实现高精度SVPWM控制。
[0031] 3.由于本方法占空比的计算是基于PWM机理建模而实现的，其求解过程与PWM控制的开关量并无直接的联系，因此本发明的通用脉宽占空比确定方法还可以自然地扩充应用到其它领域，例如直流电机的控制、多电平逆变电源的控制等。
附图说明
[0032] 图1是三相电机PWM控制原理电路图；
[0033] 图2是常规SVPWM控制方法中的六扇区空间矢量分解示意图；
[0034] 图3是三相交流电机定子电流Ia、Ib、Ic和每两相电流差Iab、Ibc、Ica在一个周期(0°～360°)内的变化曲线；
[0035] 图4是三相交流电机定子绕组等效电路；
[0036] 图5是SVPWM控制采用六扇区空间矢量分解法确定三相占空比的流程图；
[0037] 图6是SVPWM控制采用本发明的方法确定三相占空比的流程图。
具体实施方式
[0038] 在介绍本发明的实施方式之前，首先介绍一下本发明的构思。
[0039] 本发明的目的是根据已知的三相电流值，避免复杂的扇区判断和空间矢量分解，直接确定三相占空比。从图3可看出，如果将三相交流电机定子电流Ia、Ib、Ic的一个变化周期等分为0°～60°、60°～120°、120°～180°、180°～240°、240°～300°和300°～360°的6个相角区间，这6个相角区间依次对应于图2所示空间矢量的扇区I、扇区II、扇区III、扇区IV、扇区V和扇区VI。
[0040] 首先，三相电流的每两相电流差Iab、Ibc、Ica在这6个相角区间中虽然变化不同，但其绝对值的最大值max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}的变化却具有规律性，即
[0041] 在0°～60°和180°～240°相角区间|Ica|始终最大；
[0042] 在60°～120和240°～300°相角区间|Ibc|始终最大；
[0043] 在180°～240°和300°～360°相角区间|Iab|始终最大。
[0044] 这样仅仅通过判断每两相电流差绝对值的最大值，就可以将三相电流限定在两个相角区间内，例如若|Ibc|最大，可判断三相电流所在的相角区间为60°～120°或为240°～300°。
[0045] 其次，在每个相角区间中，绝对值最大的电流差的正负也是始终不变的，并且电流差绝对值的最大值所限定的两个区间的相位相差180°，各相电流和每两相电流差在这两个区间内完全反相。即
[0046] 在|Ica|始终最大的两个互为反相的相角区间中，Ica在0°～60°区间始终小于0，在180°～240°区间始终大于0；
[0047] 在|Ibc|始终最大的两个互为反相的相角区间中，Ibc在60°～120°区间始终大于0，在240°～300°区间始终小于0；
[0048] 在|Iab|始终最大的两个互为反相的相角区间中，Iab在120°～180°区间始终小于0，在300°～360°区间始终大于0。
[0049] 这样就可以根据绝对值最大的电流差的正负，唯一确定三相电流Ia、Ib、Ic所在的相角区间，例如若|Ibc|最大且Ibc＜0，可判断三相电流所在的相角区间为240°～300°。确定了三相电流所在的相角区间，也就相当于确定了图2所示的三相电流空间矢量所在的扇区。
[0050] 以下要详细说明的确定三相占空比的方法就是按照每两相电流差Iab、Ibc、Ica绝对值的最大值在不同相角区间的三种情况确定三相占空比的值，绝对值最大的两相电流差所限定的该两相的占空比的大小与该两相电流差成正比，另外一相占空比的大小与该另外一相电流成正比，而各相占空比的正负取决于该两相电流差或该另外一相电流的正负，实质上完全确定了图2所示的三相电流Ia、Ib、Ic空间矢量所在的扇区和在该扇区中各矢量分量的大小，但方法要简单许多。
[0051] 现以PMSM(三相永磁同步电机)的全数字控制为例详细说明本发明的通用脉宽占空比确定方法。
[0052] 图4示出了PMSM定子三相绕组模型。图中，三相绕组分别用符号A、B、C表示，Ua、Ub、Uc分别表示加到A、B、C三相绕组的相电压；Ia、Ib、Ic分别表示流过A、B、C三相绕组的相电流，其正方向定义为流入绕组；Za、Zb、Zc分别表示A、B、C三相绕组的阻抗，设为三相对称绕组，有Za＝Zb＝Zc＝Z。根据电压电流关系，可建立如下方程：
[0053]
[0054] 设电压源型直流电源母线电压为从U到-U，根据冲量原理，有
[0055] Ua＝Uka
[0056] Ub＝Ukb
[0057] Uc＝Ukc (6)
[0058] -1≤ka，kb，kc≤1
[0059] 式中，ka、kb、kc分别为三相逆变桥的占空比，则方程(5)可化为[0060]
[0061] 将式(7)中的三相电流Ia，Ib，Ic以U/Z归一化，可得
[0062]
[0063] -1≤Ia，Ib，Ic≤1
[0064] 本方法的目的是依据给定的电动机相电流，确定三相电压占空比ka，kb，kc。由式(8)可得
[0065] ka＝Ia-Ib+kb＝Iab+kb
[0066] kb＝Ib-Ic+kc＝Ibc+kc (9)
[0067] kc＝Ic-Ia+ka＝Ica+ka
[0068] 根据给定的相电流，解方程组(9)可得各相占空比ka，kb，kc。由于三相电流之和为零，方程组(9)本质上是由两个方程求解三个未知数ka、kb、kc，存在无数组解。例如，一种简单求解方法是令ka＝Ia，kb＝Ib，kc＝Ic，这就是传统的SPWM方法。但也正因为ka，kb，kc有无数组解，其中必有一组是最优的。
[0069] 根据PMSM定子电流是相位相差120°的三相正弦波
[0070]
[0071] 可得
[0072]
[0073] 公式(10)和(11)所表示的每相电流和每两相电流差的变化曲线如图3所示。
[0074] 根据公式(8)，为了发挥直流电源的利用率，ka，kb，kc三者不应同时为正或同时为负，并且应使其绝对值尽可能地大。基于此，由公式(9)，可以选择Iab，Ibc，Ica之绝对值最大的一个，由此最大的一个开始计算各占空比。
[0075] 例如，设max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}＝|Iab|，则可以选择kb＝-ka，由公式(9)可得[0076]
[0077] 将公式(12)代入公式(8)，可得三相电流与给定值相等，由此得出的三相占空比等价于传统的SPWM方法。
[0078] 但由公式(11)可知， 因此 为了提高直流逆变电源的电压利用率，应使|ka|max＝1，即将公式(12)的三相占空比分别乘以比例系数即
[0079]
[0080] 同理，若max{|Iab|，|Ibc|，|Ica|}＝|Ibc|，则选择三相占空比[0081]
[0082] 若max{|Iab|，|Ibc|，|Ica||}＝|Ica|，则选择三相占空比
[0083]
[0084] 如此处理，可将直流逆变电源电压利用率提高为原来的 倍。从这个意义上来说，由此得出的三相占空比等价于SVPWM方法。
[0085] 上述方法的所有计算公式中只包含四则运算，其实现流程如图6所示，与图5表示的六扇区空间矢量分解确定三相占空比的计算公式和实现流程相比，要简单许多。
[0087] 硬件环境：TMS320F2812，主频150MHz；
[0088] 编程语言：C语言；
[0089] 开发环境：CCS3.1(Code Composer Studio)。
[0090] 下面分别给出本发明方法的实现代码和基于六扇区空间矢量分解法的SVPWM占空比计算代码，供参考。两者的调用参数皆为电机的A相、B相电流Ia、Ib，计算结果为SVPWM占空比。
[0091] 本发明方法的实现代码：
[0092] struct{
[0093] _iq Ta；
[0094] _iq Tb；
[0095] _iq Tc；
[0096] }PWM；
[0097] void mysvgen(_iq Ia，_iq Ib，PWM*v)
[0098] {
[0099] _iq Va，Vb，Vc；
[0100] _iq m；
[0101] Vc＝-Ia-Ib；
[0102] v-＞Ta＝Ia-Ib；
[0103] v-＞Tb＝Ib-Vc；
[0104] v-＞Tc＝Vc-Ia；
[0105] Va＝_IQabs(v-＞Ta)；
[0106] Vb＝v-＞Ta；
[0107] m＝0；
[0108] if(Va＜_IQabs(v-＞Tb))
[0109] {
[0110] Va＝_IQabs(v-＞Tb)；
[0111] Vb＝v-＞Tb；
[0112] Vc＝Ia；
[0113] m＝1；
[0114] }
[0115] if(Va＜_IQabs(v-＞Tc))
[0116] {
[0117] Vb＝v-＞Tc；
[0118] Vc＝Ib；
[0119] m＝2；
[0120] }
[0121] Vb＝_IQmpy(Vb，_IQ(0.57735026918963))；
[0122] Va＝-Vb；
[0123] Vc＝_IQmpy(Vc，_IQ(1.73205080756887))；
[0124] if(m＝＝0)
[0125] {
[0126] v-＞Ta＝Vb；
[0127] v-＞Tb＝Va；//v-＞Ta；
[0128] v-＞Tc＝Vc；
[0129] }
[0130] else if(m＝＝1)
[0131] {
[0132] v-＞Tb＝Vb；
[0133] v-＞Tc＝Va；//v-＞Tb；
[0134] v-＞Ta＝Vc；
[0135] }
[0136] else
[0137] {
[0138] v-＞Tc＝Vb；
[0139] v-＞Ta＝Va；
[0140] v-＞Tb＝Vc；
[0141] }
[0142] }
[0143] 基于六扇区空间矢量分解法的SVPWM占空比计算代码：
[0144] struct {
[0145] _iq Ta；
[0146] _iq Tb；
[0147] _iq Tc；
[0148] }PWM；
[0149] void svgen_sector(_iq Ia，_iq Ib，PWM*v)
[0150] {
[0151] _iq Va，Vb，Vc，t1，t2；
[0152] _iq sector＝0；
[0153] Va ＝ _IQmpy(Ia，_IQ(0.57735026918963))+_IQmpy(Ib，_IQ(1.15470053837926))；
[0154] Vb＝_IQmpy(Ia-Ib，_IQ(0.57735026918963))；
[0155] Vc＝-Va-Vb；
[0156] /*60度扇区判断*/
[0157] if(Va＞_IQ(0))
[0158] {
[0159] sector＝1；
[0160] }
[0161] if(Vb＞_IQ(0))
[0162] {
[0163] sector＝sector+2；
[0164] }
[0165] if(Vc＞_IQ(0))
[0166] {
[0167] sector＝sector+4；
[0168] }
[0169] if(sector＝＝1)/*扇区1*/
[0170] {
[0171] t1＝-Vb；
[0172] t2＝-Vc；
[0173] v- ＞ Tb ＝ _IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*tbon ＝(1-t1-t2)/2*/
[0174] v-＞Ta＝v-＞Tb+t1； /*taon＝tbon+t1*/
[0175] v-＞Tc＝v-＞Ta+t2； /*tcon＝taon+t2*/
[0176] }
[0177] else if(sector＝＝2)/*扇区2*/
[0178] {
[0179] t1＝-Vc；
[0180] t2＝-Va；
[0181] v-＞Ta＝_IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*taon＝(1-t1-t2)/2*/[0182] v-＞Tc＝v-＞Ta+t1； /*tcon＝taon+t1*/
[0183] v-＞Tb＝v-＞Tc+t2； /*tbon＝tcon+t2*/
[0184] }
[0185] else if(sector＝＝3)/*扇区3*/
[0186] {
[0187] t1＝Vb；
[0188] t2＝Va；
[0189] v- ＞ Ta ＝ _IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*taon ＝(1-t1-t2)/2*/
[0190] v-＞Tb＝v-＞Ta+t1； /*tbon＝taon+t1*/
[0191] v-＞Tc＝v-＞Tb+t2； /*tcon＝tbon+t2*/
[0192] }
[0193] else if(sector＝＝4)/*扇区4*/
[0194] {
[0195] t1＝-Va；
[0196] t2＝-Vb；
[0197] v- ＞ Tc ＝ _IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*tcon ＝(1-t1-t2)/2*/
[0198] v-＞Tb＝v-＞Tc+t1； /*tbon＝tcon+t1*/
[0199] v-＞Ta＝v-＞Tb+t2； /*taon＝tbon+t2*/
[0200] }
[0201] else if(sector＝＝5)/*扇区5*/
[0202] {
[0203] t1＝Va；
[0204] t2＝Vc；
[0205] v- ＞ Tb ＝ _IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*tbon ＝(1-t1-t2)/2*/
[0206] v-＞Tc＝v-＞Tb+t1； /*tcon＝tbon+t1*/
[0207] v-＞Ta＝v-＞Tc+t2； /*taon＝tcon+t2*/
[0208] }
[0209] else if(sector＝＝6)/*扇区6*/
[0210] {
[0211] t1＝Vc；
[0212] t2＝Vb；
[0213] v-＞Tc＝_IQmpy(_IQ(0.5)，(_IQ(1)-t1-t2))； /*tcon＝(1-t1-t2)/2*/
[0214] v-＞Ta＝v-＞Tc+t1； /*taon＝tcon+t1*/[0215] v＞Tb＝v-＞Ta+t2； /*tbon＝taon+t2*/[0216] }
[0217] else
[0218] {
[0219] v-＞Ta＝_IQ(0.5)；
[0220] v-＞Tb＝_IQ(0.5)；
[0221] v-＞Tc＝_IQ(0.5)；
[0222] }
[0223] v-＞Ta＝_IQmpy(_IQ(2)，(v-＞Ta-_IQ(0.5)))；
[0224] v-＞Tb＝_IQmpy(_IQ(2)，(v-＞Tb-_IQ(0.5)))；
[0225] v-＞Tc＝_IQmpy(_IQ(2)，(v-＞Tc-_IQ(0.5)))；
[0226] }
[0227] 两种计算SVPWM占空比方法的比较：实施结果表明，在给定的电动机相电流相同的条件下得出的三相脉宽占空比完全相同，即控制效果完全相同，但实现本发明方法的可执行代码长度只有常规六扇区矢量分解方法的1/4，运行效率却提高了17％，所节省的硬件资源占用可用来改进SVPWM控制性能，客观上起到了提高系统硬件性能的效果。这样，本发明的方法使用普通DSP处理器即可获得高精度的SVPWM控制。
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