三相交流电动机pwm控制的通用脉宽占空比确定方法

专利名称：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：
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。
技术背景 '
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 样控制理论中的沖量守恒原理，即沖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。P WM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。
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。
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。
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。
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V 和V2，)，还要按各矢量分量的大小计算确定其作 用时间T (脉沖宽度)与釆样周期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
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。
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S VP WM控制方式的通用脉宽占空比确定方法，包4舌以下步骤
确定三相交流电动机的归一化三相电流给定值/。、 A、 /c ( - 1</。、
厶、/c<i);
根据归一化三相电流给定值/。、 /6、 /c按照公式(1)计算归一化三
相电流的每两相电流差/。6、 /&、 /ca;
U = L - A
乂ca 一Jc 一乂a
计算归一化三相电流的每两相电流差/。6、 /&、 /。。的绝对值IUI、 |/&|、
1/c。l的最大值^xU/』/』；20 当最大值mox[g，l4l,l/』为A、 B两相电流差/w的绝对值l/J时，按 公式(2)计算三相脉冲占空比&、 &、 A:c:
、=P
2
& = - 、 ( 2 )
="3/,
2
当最大值maxU,l/」，l/』为B、 C两相电流差/6c的绝对值|/&|时，按 公式(3)计算三相脉沖占空比A:。、 &、
&=々
、=-& (3) 、-P 2
当最大值maxU/」，l/』为C、 A两相电流差/c。的绝对值|/￡。|时，按 公式(4)计.算三相脉冲占空比A:。、 &、
&=/^ e K 2
、=-、 (4)
2
公式(2)、 (3)和(4)中，/ 是比例系数，
进一步
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/ =1。
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/ = 2
更进一步
本发明的通用脉宽占空比确定方法，其中的三相交流电动 几可以是 ^走寿争电动才几。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 直线电动才几。
本发明的通用脉宽占空比确定方法具有如下有益效果
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，相当于常身见spwm控制方式， 当p取值为^时，即实现svpwm控制方式。
2. 当采用svpwm控制方式时，本发明方法的控制效果与常关见六扇 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。
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。


图1是三相电机pwm控制原理电路图2是常规svpwm控制方法中的六扇区空间矢量分解示意图； 图3是三相交流电机定子电流/。、 /&、 /c和每两相电流差/"、 /&、 /c。 在一个周期(0°~360。)内的变化曲线；
图4是三相交流电机定子绕组等效电if各；
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。
具体实施例方式
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。
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 /"、 A、 /c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n、扇区m、扇区iv、扇区v和扇区vi。
首先，三相电流的每两相电流差/。6、 /&、 /c。在这6个相角区间中虽
然变化不同，但其绝对值的最大值附0^/』，|/&|，|/^|}的变化却具有规律性，
即
在0°~66°和180。~240°相角区间&。|始终最大；
在60°~120和240°~300°相角区间|/&|始终最大；
在180。~240°和300。~360°相角区间|/^|始终最大。
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IAcl最大，可判断三相电流所在的相角 区间为60°~120°或为240°~300°。
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
在1/c。l始终最大的两个互为反相的相角区间中，/c。在0。~60°区间始终
小于0,在180°~240°区间始终大于0;
在|/&|始终最大的两个互为反相的相角区间中，/&在60。~120。区间始 终大于0,在240°~300。区间始终小于0;
在IU始终最大的两个互为反相的相角区间中，/^在120。~180°区间 始终小于O,在300°~360°区间始终大于0。
这样就可以才艮据绝对值最大的电流差的正负，唯一确定三相电流/。、 /6、 /c所在的相角区间，例如若|/^|最大且/&<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。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 /^、厶c、 /c。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/。、 /6、 /￡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。
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。
图4示出了 PMSM定子三相绕组才莫型。图中，三相绕组分别用符号A、 B、 C表示，t/。、 "、 t/c分别表示加到A、 B、 C三相绕组的相电压；/。、 /6、 /c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；Z。、 Z6、 Zc分别表示A、 B、 C三相绕组的阻抗，设为三相对称绕组，有Z。 = & = Zc =Z。 根据电压电流关系，可建立如下方程
<formula>formula see original document page 9</formula>设电压源型直流电源母线电压为从f/到-t/,根据冲量原理，有
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中，&、 &、 ^分别为三相逆变桥的占空比，则方程(5)可化为<formula>formula see original document page 10</formula>
3
一 h
3(7)
将式(7)中的三相电流/。， /6, /。以f7/Z归一化，可得
/6 =
3
丄
3
3(8)
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&，
&。由式(8)可得
A" = - /6 + = 7a6 + ^
fe) =— /c + fc = /6c + Ac ( 9 )
Ac = 7c — 7a += Tea + &a
根据给定的相电流，解方程组(9)可得各相占空比&。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l史&、 &、 存在无数组解。例如， 一种简单求解方法是令&=/6， &=/e,这就是传 统的SPWM方法。但也正因为&， ^有无数组解，其中必有一组是最优 的。
根据PMSM定子电流是相位相差120°的三相正弦波
= cos((yf)
2;r
/6-cos(加--) (10)
7c = cos(欣—丁)
可得<formula>formula see original document page 11</formula> (11)
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。
根据公式(8)，为了发挥直流电源的利用率，^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 /。6,/c。之绝对值最大的一个，由此最大的一个开始计算各占空比。
例如，设附0^/"6|,|/6￡;|，|/^=|/^|,则可以选择^^-^，由公式(9)可得
<formula>formula see original document page 11</formula> (12)
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。 .
但由公式(ii)可知，|/a6|max = VI，因此|^卜紅=^~<1,为了提高直流
逆变电源的电压利用率，应使^。|1^=1,即将公式(12)的三相占空比分别 乘以比例系数/7 = 4=，即<formula>formula see original document page 11</formula>( 13 )
同理，若附^^，|/4|/。。|卜|/&|,则选择三相占空比<formula>formula see original document page 12</formula>
若附^1^|,|/&|,|^|}= |/J ，则选择三相占空比
<formula>formula see original document page 12</formula>
如此处理，可将直流逆变电源电压利用率提高为原来的冬=1.1547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。
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。
分别采用六扇区空间矢量分解法和本发明的方法实施三相永磁同步 电才几的SVPWM控制，两种方法实施的软》更件环境相同，均为
石更件环境TMS320F2812,主频150MHz;
编程语言C语言；
开发环境CCS3.1(Code Composer Studio)。
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4、 A，计算结果为SVPWM占空比。
本发明方法的实现代码
<formula>formula see original document page 12</formula>void mysvgen(—iq la, —iq lb, PWM * v)
—iq Va，Vb，Vc; —iq m;
Vc =陽Ia - lb; v->Ta = la - lb; v->Tb = lb - Vc; v->Tc = Vc - la; Va = —IQabs(v->Ta); Vb = v->Ta; m = 0;
if(Va<—IQabs(v->Tb))
Va = —IQabs(v->Tb); Vb = v->Tb; Vc = la; m = 1;
if (Va < —IQabs(v-〉Tc))
Vb = v->Tc; Vc = lb; m' = 2;
Vb = 一IQmpy(Vb， —IQ(0.57735026918963)); Va = -Vb;
Vc = —IQmpy(Vc, —IQ(1.73205080756887)); if (m ==0 )v->Ta = Vb; v->Tb = Va;〃v->Ta; v->Tc = Vc;
else if (m ==
v->Tb = v->Ic = v->Ia =
else
v->Ic v->Tb
1)
Vb Va Vc
〃v->Tb;
Vb; Va; Vc;
基于六扇区空间矢量分解法的SVPWM占空比计算代码
struct { —iq Ta; 一iq Tb; 一iq Tc; } PWM;
void svgen—sector( iq la, —iq lb, PWM * v)
{
—iq Va，Vb,Vc，tl,t2; —iq sector = 0;
Va=—IQmpy(Ia， —IQ(0.57735026918963)) +—IQmpy(Ib， —IQ(1.15470053837926)); Vb = jQmpy(Ia - lb, —IQ(0.57735026918963));Vc = -Va - Vb;
/* 60度扇区判断*/
if (Va>—IQ(0))
sector = 1;
if (Vb > 一IQ(O))
sector = sector + 2; if (Vc >—IQ(0)) sector = sector + 4;
if (sector==l) /*扇区1 */
tl = -Vb; t2 = -Vc;
v->Tb = —IQmpy(_IQ(0.5)，(—IQ(l)-tl-t2)); /* tbon = (l-tl-t2)/2 */
v->Ta = v->Tb+tl; /* taon = tbon+tl */
v->Tc = v->Ta+t2; /* tcon = taon+t2 */
ese if (sector==2) /*扇区2 */
tl'= -Vc; t2 = -Va;v->Ta = _IQmpy(—IQ(0.5)，(—IQ(I)-tl-t2));
/* taon = (l-tl-t2)/2 */
v->Tc = v->Ta+tl; v->Tb = v->Tc+t2;
/* tcon = taon+tl */ /* tbon = tcon+t2 */
else if (sector==3) /*扇区3*/
tl = Vb; t2 = Va;
v->Ta = 一IQmpy(—IQ(0.5)，(一IQ(l)-tl-t2));
/* taon = (l-tl-t2)/2 */
v->Tb = v->Ta+tl; v->Tc = v->Tb+t2;
/* tbon = taon+tl */ /* tcon = tbon+t2 */
else if (sector==4) /*扇区4*/
U = -Va; t2 = -Vb;
v->Tc = —IQmpy(—IQ(0.5)，(—IQ(l)-tl-t2));
,* tcon = (l-tl-t2)/2 */
v->Tb = v->Tc+tl; v->Ta = v->Tb+t2;
/* tbon = tcon+t 1 */ /* taon = tbon+t2 */
else if 〈sector==5) /*扇区5 */
tl = Va; t2 = Vc;
v->Tb = —IQmpy(—IQ(0.5),(—IQ(l)-tl-t2)); /* tbon = (l-tl-t2)/2 */
v->Tc = v->Tb+tl; /* tcon = tbon+tl */
v->Ta = v->Tc+t2; /* taon = tcon+t2 */
else if (sector==6) /*扇区6*/tl = Vc; t2 = Vb;
v->Tc = 一IQmpy(一IQ(0.5),(—IQ(l)隱tl-t2)); /* tcon = (l-tl-t2)/2 */
v->Ta = v->Tc+tl; /* taon = tcon+tl */
v二〉Tb = v->Ta+t2; /* tbon = taon+t2 */
else
v->Ta = 一IQ(0.5); v->Tb = 一IQ(0.5); v->Tc = 一IQ(0.5);
v->Ta = —IQmpy(—IQ(2),(v->Ta-_IQ(0.5))); v->Tb = —IQmpy(—IQ(2),(v->Tb-_IQ(0.5))); v->Tc = —IQmpy(—IQ(2)，(v-〉Tc陽—IQ(0.5)));
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。
权利要求
1.一种用于三相交流电动机PWM(脉冲宽度调制)控制，可以实现包括SPWM(正弦脉宽调制)控制方式和SVPWM(空间矢量脉宽调制)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、IcaIab＝Ia-Ib<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>bc</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>b</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>I</mi> <msub><mi>c</mi><mi>c</mi> </msub></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>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)计算所述三相脉冲占空比ka、kb、kc<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <msub><mi>I</mi><mi>ab</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math></maths>kb＝-ka(2)<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <mrow><mn>3</mn><msub> <mi>I</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math></maths>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)计算所述三相脉冲占空比ka、kb、kc<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <msub><mi>I</mi><mi>bc</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math></maths>kc＝-kb(3)<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <msub><mrow> <mn>3</mn> <mi>I</mi></mrow><mi>a</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math></maths>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)计算所述三相脉冲占空比ka、kb、kc<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <msub><mi>I</mi><mi>ca</mi> </msub> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0006" file="A2009100889510003C1.tif" wi="20" he="10" top= "34" left = "90" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>(4)ka＝-kc<maths id="math0007" num="0007" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mfrac> <mrow><mn>3</mn><msub> <mi>I</mi> <mi>b</mi></msub> </mrow> <mn>2</mn></mfrac> </mrow>]]></math></maths>所述公式(2)、(3)和(4)中，p是比例系数，<maths id="math0008" num="0008" ><math><![CDATA[ <mrow><mn>1</mn><mo>&le;</mo><mi>p</mi><mo>&le;</mo><mfrac> <mn>2</mn> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt></mfrac><mo>.</mo> </mrow>]]></math> id="icf0008" file="A2009100889510003C3.tif" wi="23" he="11" top= "66" left = "139" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>
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； =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7>式(2) 、 (3)和(4)中的比例 系数/ = 2
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。
全文摘要
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I_a、I_b、I_c；根据归一化三相电流给定值I_a、I_b、I_c计算每两相电流差I_ab、I_bc、I_ca；计算每两相电流差的绝对值的最大值max{|I_ab|，|I_bc|，|I_ca|}；根据max{|I_ab|，|I_bc|，|I_ca|}的三种情况通过四则运算确定三相脉冲占空比k_a、k_b、k_c。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。
文档编号H02P21/00GK101599738SQ20091008895
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者付耀斌, 钟 欧, 牛怀新, 高大智, 齐晓龙 申请人:北京慧摩森电子系统技术有限公司