技术领域
[0001] 本
发明涉及
电机驱动控制领域，具体涉及一种用于两相混合式步进电机的双H 桥逆变器SVPWM调制方法。
背景技术
[0002] 由于步进电机的能够利用数字
信号驱动，而此特性正好符合数控机床设备对理想执行元件的要求，所以步进电机在数控领域被大量应用。近年来步进电机的闭环控制大大发展，其中的SVPWM调制非常重要，SVPWM采用平均值等效，也就是将各基本矢量在一个周期内的进行组合，使其合矢量的值与给点矢量的值相同。这样一来任意的
电压矢量值都能通过控制基本矢量的作用时间来等效获得，而作用时间可以由逆变器
开关来控制。这样电压空间矢量能按圆轨迹旋转，实际磁通能更逼近理想磁通圆，PWM波能更接近于标准的
正弦波。传统的调制方法采用三相三桥臂拓扑结构逆变器的三相SVPWM技术，对两相步进电机不适用，所以要设计一种双H桥逆变器两相SVPWM方法。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种双H桥逆变器两相SVPWM方法，解决了两相混合式步进电机驱动控制中的SVPWM调制问题。SVPWM采用平均值等效，也就是将各基本矢量在一个周期内进行组合，使其合矢量的值与给点矢量的值相同。这样一来任意的电压矢量值都能通过控制基本矢量的作用时间来等效获得，而作用时间可以由逆变器开关来控制。
[0004] 本发明通过以下技术方案实现的：
[0005] 一种双H桥逆变器两相SVPWM调制方法，主要包括以下步骤：
[0006] (1)逆变
电路基本电压产生，通过双H桥逆变电路，选择四个功率管合适的开关量用于生成4个
相位差90°的空间基本电压矢量和1个零电压矢量；
[0007] (2)基本电压作用时间计算，推导出各扇区两个基本电压矢量对应功率管状态在一个开关周期内的作用时间、，使两个基本电压在一个开关周期内的矢量和等于任意给定的电压矢量；
[0008] (3)合成矢量的扇区确定，因为在不同扇区下各基本电压矢量的作用时间不同，只有判断出合成矢量所在扇区才能确定在该扇区各基本电压矢量作用时间；
[0009] (4)基本电压矢量在各扇区的作用顺序，目的是避免多次的开关，使
开关损耗较小，让PWM输出尽量对称。
[0010] 进一步的，步骤(1)中逆变电路基本电压产生过程如下：
[0011] 两相SVPWM技术采用双H桥逆变器驱动电路。双H桥逆变器驱动电路Vcc对应外加电压UC，根据功率管不同的开关量，有24＝16种导通组合方式，也就对应有 16种基本电压的选择。
[0012] 根据功率桥C1、C2、C3、C4
位置，四个基本电压进行控制，他们幅值为相位分别为45°、135°、225°、315°，便于表示对他们重新标号 U0、U1、U2、U3、U4，如表1所示。
[0013] 表1：逆变电路基本电压
[0014]
[0015] 这五个基本电压构成以U0为原点的基本电压矢量空间，U1、U2构成第一扇区， U2、U3构成第二扇区，U3、U4构成第三扇区，U4、U1构成第四扇区。
[0016] 进一步的，步骤(2)中基本电压作用时间计算过程如下：
[0017] 设需要输出的电压矢量为Us在第一扇区，夹
角为θ，开关周期为TS，U0、U1、 U2的作用时间为t0、t1、t2，则
[0018] tSUS＝t1U1+t2U2+t0U0
[0019] 其中t0＝tS-t1-t2、 U0＝0。
[0020] U1、U2基本电压的大小可以用下式表示
[0021]
[0022] 所以
[0023]
[0024]
[0025] 将步进电机A、B两相绕组接入双H桥逆变器驱动电路，使基本电压矢量空间的
坐标系与电机绕组的静止坐标系(α-β坐标系)重合。所以电机上A、B绕组的电压为[0026]
[0027] 所以t1、t2为
[0028]
[0029] 上述推导可得出当US位于扇区Ⅰ时基本电压矢量的作用时间t1、t2，同理可推导出当US位于扇区Ⅱ时t1、t2为
[0030]
[0031] 当US位于扇区Ⅲ时t1、t2为，
[0032]
[0033] 当US位于扇区Ⅳ时t1、t2为，
[0034]
[0035] 令 可用X、Y来表示US位于不同扇区下作用时间，对应关系见表2。
[0036] 表2：t1、t2与扇区对应关系
[0037]
[0038] 进一步的，步骤(3)中合成矢量所在扇区确定过程如下：
[0039] 要计算出t1、t2必须得知道此时的US正处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ扇区的哪一个，从而再能计算出t1、t2。
[0040] 当电压矢量为Us处于第Ⅰ扇区时， 则cos θ＞0，sin θ＞0，即 Uα＞0,Uβ＞0；当电压矢量为Us处于第Ⅱ扇区时， 则cos θ＜0，sin θ＞0，即Uα＜0,Uβ＞0；当电压矢量为Us处于第Ⅲ扇区时， 则cos θ＜0，sin θ＜0, 即Uα＜0,Uβ＜0；当电压矢量为Us处于第Ⅳ扇区时， 则cos θ＞0，sin θ＜0，即Uα＞0,Uβ＜0。通过判断Uα和Uβ符号即可判断出扇区，对应关系见表3。
[0041] 表3：Uα、Uβ与扇区对应关系
[0042]
[0043] 进一步的，步骤(4)基本电压作用顺序确定如下：
[0044] 当基本电压、作用时间、扇区都确定后，还需要确定基本电压的作用顺序。本文设计了一种五段式SVPWM作用顺序。
[0045] 表4：各扇区基本电压开关顺序及
波形图表
[0046]
[0047]
[0048] 在编程实现SVPWM时，基本电压作用时间按推导公式计算，合成矢量所在扇区由矢量Uα、Uβ正负判断，基本电压作用顺序根据表4采用查表法确定。
[0049] 本发明具有如下有益效果：
[0050] (1)本发明根据两相混合式步进电机工作方式设计，可以直接用于电机的控制系统中，让电压空间矢量能按圆轨迹旋转、实际磁通能更逼近理想磁通圆，提高电机的运行性能；
[0051] (2)本发明采用平均值等效原理将各基本矢量在一个周期内的进行组合，使任意的电压矢量值都能通过控制两相混合式步进电机绕组上作用电压的时间来等效获得，而作用时间可以由逆变器开关来控制；
[0052] (3)本发明设计了基本电压五段式作用顺序，这样是能避免多次的开关，使开关损耗较小，让PWM输出尽量对称，电机运行更平稳。
附图说明
[0053] 图1是本发明采用的一种双H桥逆变电路。
[0054] 图2是基本电压矢量各坐标关系图。
具体实施方式
[0055] 以下结合
实施例对本发明作出更详细的说明。应理解所述仅为本发明的个别实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的原则之内所作的均等
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的
专利涵盖范围内。
[0056] 两相SVPWM技术采用如图1所示的双H桥逆变器驱动电路。其中A+对应 C1，A-对应C2，B+对应C3，B-对应C4，Vcc对应外加电压UC。根据功率桥C1、 C2、C3、C4位置，四个基本电压进行控制，他们幅值为 相位分别为45°、 135°、225°、315°，便于表示对他们重新标号U0、U1、U2、U3、U4，如表6 所示。
[0057] 表6：逆变电路基本电压
[0058]
[0059] 这五个基本电压构成以U0为原点的基本电压矢量空间，U1、U2构成第一扇区， U2、U3构成第二扇区，U3、U4构成第三扇区，U4、U1构成第四扇区。将步进电机A、B两相绕组接入双H桥逆变器驱动电路，使基本电压矢量空间的坐标系与电机绕组的静止坐标系(α-β坐标系)重合，如图2所示。
[0060] 基本电压作用时间计算：
[0061] 如图2所示，假设需要输出的电压矢量为Us，开关周期为TS，U0、U1、U2的作用时间为t0、t1、t2，则
[0062] tSUS＝t1U1+t2U2+t0U0
[0063] 其中t0＝tS-t1-t2、 U0＝0。
[0064] 根据图2所示关系得
[0065]
[0066] 所以
[0067]
[0068] 又因为US在静止坐标系α-β中有
[0069]
[0070] 所以有
[0071]
[0072] 上述推导可得出当US位于扇区Ⅰ时基本电压矢量的作用时间t1、t2，同理可推导出当US位于扇区Ⅱ时t1、t2为
[0073]
[0074] 当US位于扇区Ⅲ时t1、t2为，
[0075]
[0076] 当US位于扇区Ⅳ时t1、t2为，
[0077]
[0078] 令 可用X、Y来表示US位于不同扇区下作用时间，对应关系见表7。
[0079] 表7：t1、t2与扇区对应关系
[0080]
[0081] 合成矢量所在扇区确定：
[0082] 要计算出t1、t2必须得知道此时的US正处于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ扇区的哪一个，从而再能计算出t1、t2。
[0083] 当电压矢量为Us处于第Ⅰ扇区时， 则cos θ＞0，sin θ＞0，即 Uα＞0,Uβ＞0；当电压矢量为Us处于第Ⅱ扇区时， 则cos θ＜0，sin θ＞0，即Uα＜0,Uβ＞0；当电压矢量为Us处于第Ⅲ扇区时， 则cos θ＜0，sin θ＜0, 即Uα＜0,Uβ＜0；当电压矢量为Us处于第Ⅳ扇区时， 则cos θ＞0，sin θ＜0，即Uα＞0,Uβ＜0。通过判断Uα和Uβ即可判断出扇区，对应关系见表8。
[0084] 表8：Uα、Uβ与扇区对应关系
[0085]
[0086] 基本电压作用顺序：
[0087] 当基本电压、作用时间、扇区都确定后，还需要确定基本电压的作用顺序。目的是避免多次的开关，使开关损耗较小，让PWM输出尽量对称。本文设计了一种五段式SVPWM作用顺序，见表9。
[0088] 表9：各扇区基本电压开关顺序及波形图表
[0089]
[0090]
