专利名称：基于对称pwm载波的电动机相电流重构方法
技术领域：
本发明涉及电动机相电流重构技术领域，具体地说，涉及一种基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法。
技术背景
在交流电动机控制系统中，电动机的相电流检测是一个关键环节，经典的方法是采用电流传感器来检测电动机的相电流，即在交流输出端设置3个或者至少2个电流传感器，以提供相电流的反馈信号。常用的电流传感器是霍尔效应检测器，其不仅价格昂贵，而且体积庞大，难以集成在电力电子装置中。因此，在精度不需要太高而又需要降低成本的情况下，提出了通过直流母线电流采样来检测电动机相电流的方法。
通过直流母线电流采样来检测电动机相电流，即常说的单电流采样(One shunt current detection)技术。逆变电路的结构原理图如图1所示，采样电阻Z串接于开关管 (IGBT)下桥臂的负端与直流侧电容负端之间，然后根据直流母线电流、开关管开关状态及三相电流三者的关系，利用直流母线电流和开关管开关状态重构三相电流，是一种采用单电阻采样方式的相电流重构方法，因此，又称为单电阻电流采样。
对于单电流采样技术，要使直流母线电流采样值可以有效重构相电流，其采样时间必须大于一个最小时间Tmin，而电动机采用空间矢量调制(SVPWM)方式进行驱动时，SVPWM 调制在扇区边界切换或低速控制时，均会出现在PWM载波周期内某一个(或两者)非零基本空间矢量的作用时间过短而不满足最小时间Tmin (即非零基本空间矢量作用时间的1/2小于最小时间Tmin不满足条件，后文再对此进行详细描述)，PWM载波周期内任一非零基本空间矢量的作用时间过短而不满足最小时间Tmin时，无法完成直流母线电流的采样，也便不能有效重构电动机相电流。
由此，通常又将此最小时间Tmin称为最小矢量作用时间，最小矢量作用时间是由于系统中实际器件特性与理想之间存在差别造成的，对于确定的系统，最小矢量作用时间是确定的，其为PWM死区时间、硬件响应时间和MCU的AD采样与保持时间之和。
将SVPWM调制时，PffM载波周期内任一非零基本空间矢量作用时间的过短而不满足最小矢量作用时间，造成不能有效重构电动机相电流的区域称为非观测区域；反之，能有效重构电动机相电流的区域称为可观测区域。对于非观测区域通常有两种处理方法，一种是减小非观测区域如减小直流母线电压，增大PWM载波周期，提高调制矢量，减小最小矢量作用时间等；另一种是避免非观测区域如保证非零基本空间矢量最小作用时间等，后者的效果通常好于前者。
目前，避免非观测区域较普遍的方法是采用非对称PWM法。非对称PWM法是指在非观测区域采用非对称PWM调制，通过矢量分解与补偿，增大作用时间小于最小矢量作用时间的非零基本空间矢量至最小作用时间，以实现电流有效采样。
此方法虽可以有效实现非观测区域的电流重构，能够较好解决单电流采样技术在电动机上的应用。但也存在不足比如对MCU性能有较高要求，即需支持非对称PWM，目前大部分MCU尚未有此功能，需额外加ASIC或CPLD进行处理，会增加成本；再次，采用非对称 PWM调制，电压电流谐波会相对增大，器件损耗也增大，影响控制效果；同时，由于PWM死区、 硬体电路响应时间的存在，低速时电压谐波加大，控制效果会越来越差。
对于中高速运行的电动机，SVPWM调制在扇区边界切换时，该边界区域的非零基本空间矢量的作用时间通常是满足最小矢量作用时间的，仅仅是边界区域非零基本空间矢量相邻的另外一个非零基本空间矢量的作用时间不满足最小矢量作用时间。对于上述电动机完全没有必要采用成本较高的非对称PWM法进行相电流重构。发明内容
本发明的目的是解决现有中高速运行的电动机，通过单电流采样的方式重构相电流，SVPWM调制在扇区边界位置的非观测区域无法完成相电流重构的不足，提供一种算法容易实现、控制效果相对较好，基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现一种基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法，电动机采用空间矢量调制方式进行驱动，逆变电路开关管下桥臂的负端与直流侧电容负端之间串接有采样电阻，其特征在于 当调制矢量处于扇区边界区域的非观测区域，该扇区边界区域的非零基本空间矢量的作用时间满足最小矢量作用时间，将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量，在相邻的两非零基本矢量作用过程中采用单电流采样方式重构电动机相电流。
本发明中，由于扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量交替施加时刻，电动机其中两相的相电流发生了改变，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量。
在调制矢量处于基本空间矢量Vp V3、V5扇区边界区域的非观测区域，将调制矢量分解为上述扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量后，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量V7。
在调制矢量处于基本空间矢量V2、V4、V6扇区边界区域的非观测区域，将调制矢量分解为上述扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量后，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量\。
本发明针对中高速运行的电动机，对于扇区边界区域的非观测区域，通过将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量，使得在扇区边界区域的非观测区域同样可以采用对称PWM方式调制，将非观测区域转变为可观测区域， 可有效地通过单电流采样的方式在非观测区域重构电动机相电流。
图1为现有单电流采样逆变电路的结构原理图。
图2为空间矢量调制示意图。
图3为空间矢量调制处于扇区一直流母线电流前端采样示意图。
图4为开关管状态(100)时电动机相电流流向示意图。
图5为开关管状态(110)时电动机相电流流向示意图。
图6为空间矢量调制处于扇区一直流母线电流前端采样和后端采样示意图。
图7为空间矢量调制时非观测区域的示意图。
图8为调制矢量处于非零基本空间矢量V1处的扇区边界区域，调制矢量的第一种分解方式示意图。
图9为调制矢量如图8方式进行分解，PWM载波的调制方式示意图。
图10为调制矢量处于非零基本空间矢量V1处的扇区边界区域，调制矢量的第二种分解方式示意图。
图11为调制矢量如图10方式进行分解，PWM载波的调制方式示意图。
图12为调制矢量处于非零基本空间矢量V2处的扇区边界区域，调制矢量的第一种分解方式示意图。
图13为调制矢量如图12方式进行分解，PWM载波的调制方式示意图。
图14为调制矢量处于非零基本空间矢量V2处的扇区边界区域，调制矢量的第二种分解方式示意图。
图15为调制矢量如图14方式进行分解，PWM载波的调制方式示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
通过直流母线电流采样来检测电动机相电流(单电流采样)是一种成熟技术，其主要目的是为了克服使用电流传感器检测电动机相电流时成本高、体积大的问题。在精度不需要太高而又需要降低成本的情况下，被广泛使用。
在说明单电流采样检测电动机相电流前，首先简单介绍一下空间矢量调制 (SVPWM)0如图2所示，空间矢量调制是将调制空间矢量分为6个扇区和6个基本空间矢量， 以及两个零矢量，这样，任意方向、大小的调制空间矢量都可以由两个相邻的基本空间矢量合成得到的。
每个基本空间矢量都对应一种开关状态，基本空间矢量的施加是通过改变6个开关管(IGBT)的导通状态来实现的，通过控制开关管导通状态的持续时间控制基本空间矢量的作用时间，由相邻两基本空间矢量作用时间的长短，即可合成任意方向、大小的调制空间矢量，以实现对电动机的驱动。
将每相桥臂的开关管状态分别定义为&、Sv、Sw,把上桥臂功率开关器件导通时定义为状态“1”，关断时定义为状态“0”(上桥臂功率开关器件导通时下桥臂功率开关器件即处于关断状态，上桥臂功率开关器件关断时下桥臂功率开关器件即处于导通状态)，根据三组桥臂(&、SV、SW)的通断，六组非零基本空间矢量如下定义基本空间矢量V1对应开关管状态(100)，基本空间矢量V2对应开关管状态(110)、基本空间矢量V3对应开关管状态(010)、 基本空间矢量V4对应开关管状态(011)、基本空间矢量V5对应开关管状态(001)、基本空间矢量V6对应开关管状态(101)，二组零基本空间矢量做如下定义基本空间矢量Vtl对应开关管状态(000)、基本空间矢量V7对应开关管状态(111)。
关管状态(100)表示u相上桥臂导通，ν相和w相上桥臂关断，关管状态(110)表示 U相和V相上桥臂导通，W相上桥臂关断，关管状态(010)表示V相上桥臂导通，u相和W相上桥臂关断，关管状态(011)表示ν相和w相上桥臂导通，u相上桥臂关断，关管状态(001) 表示w相上桥臂导通，u相和ν相上桥臂关断，关管状态(101)表示u相和w相上桥臂导通， ν相上桥臂关断，关管状态(000)表示三组上桥臂同时关断，电动机中没有电流流入，关管状态(111)表示三组上桥臂同时导通，电动机中没有电流流出。
不同的时间段对应不同的开关管控制电压，不同的控制电压造成逆变电路中功率开关管不同的通断状态，而不同的通断状态则对应着不同的电动机相电流流向。因此，可利用空间矢量调制时，同一 PWM载波周期内开关管两次不同状态时刻的直流母线电流采样值来重构三相电流。
以空间矢量调制处于扇区一为例，阐述如何进行直流母线电流采样并重构电动机相电流。此时，处于扇区一的调制空间矢量均可由基本空间矢量V1和基本空间矢量V2分别作用后再进行合成而获得，因此在同一 PWM载波周期内开关管的状态经历了(100)和 (110)。
参见图3，a时刻开关管的状态为(100)，即基本空间矢量V1的作用时间，电动机相电流的流向如图4所示(电流以流向电动机侧方向为正，流出电动机侧方向为负)，a时刻对直流母线进行电流采样，则a时刻的电流采样值I1=Idc=Iu ；b时刻开关管的状态为(110)， 即基本空间矢量V2的作用时间，电动机相电流的流向如图5所示(电流以流向电动机侧方向为正，流出电动机侧方向为负)，b时刻对直流母线进行电流采样，则b时刻的电流采样值i2=id。=iu+iv=_iw。由于采样时间很短，相电流不会发生突变，这样可根据相电流之和为零 (Iu+Iv+Iw=0)，得到三相电流值为=Iu=I1, Iv=-(VIw)=-(IfI2)=I2-I1, Iw=-I2,以此通过直流母线电流采样完成了电动机相电流的重构。空间矢量调制处于其他扇区时，电直流母线电流采样以及电动机相电流的重构方式是相似，本领域的技术人员了解其中原理，在此就不对其他扇区的情形进行一一推导了。采样电流、开关管状态与电动机相电流的对应关系如下表所示
权利要求
1.基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法，电动机采用空间矢量调制方式进行驱动，逆变电路开关管下桥臂的负端与直流侧电容负端之间串接有采样电阻，其特征在于当调制矢量处于扇区边界区域的非观测区域，该扇区边界区域的非零基本空间矢量的作用时间满足最小矢量作用时间，将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量，在相邻的两非零基本矢量作用过程中采用单电流采样方式重构电动机相电流。
2.如权利要求1所述的基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法，其特征在于将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量后，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量。
3.如权利要求1或2所述的基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法，其特征在于 调制矢量处于基本空间矢量V” V3, V5扇区边界区域的非观测区域，将调制矢量分解为上述扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量后，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量V7。
4.如权利要求1或2所述的基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法，其特征在于 调制矢量处于基本空间矢量V2、V4、V6扇区边界区域的非观测区域，将调制矢量分解为上述扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量后，在相邻的两非零基本空间矢量之间加入零基本空间矢量\。
全文摘要
本发明的目的是解决现有中高速运行的电动机，通过单电流采样的方式重构相电流，SVPWM调制在扇区边界位置的非观测区域无法完成相电流重构的不足，提供一种算法容易实现、控制效果相对较好，基于对称PWM载波的电动机相电流重构方法。该方法将调制矢量分解为该扇区边界区域非零基本空间矢量相邻的两非零基本空间矢量，在相邻的两非零基本矢量作用过程中采用单电流采样方式重构电动机相电流。本发明使得在扇区边界区域的非观测区域同样可以采用对称PWM方式调制，将非观测区域转变为可观测区域，可有效地通过单电流采样的方式在非观测区域重构电动机相电流。
文档编号H02P21/12GK102510261SQ20111033112
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者叶林华, 董炀斌 申请人:东元总合科技(杭州)有限公司