随机空间矢量pwm策略转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交流变频技术领域，具体涉及一种能实现不同随机空间矢量PWM策略 之间相互转换的方法。
【背景技术】
[0002] 逆变器可以将直流电转换为频率与幅值可变的交流电，广泛应用于日常生活及工 农业生产中。例如，在电动汽车中，将电池输出的直流电转换为交流电，进而驱动三相交流 电机。由于结构简单可靠，如图1所示的两电平三相电压源逆变器应用最为广泛。但是，普 遍采用的空间矢量PWM(SVPWM)技术按照"伏一秒平衡"时间平均等效的原理工作，逆变器 输出的电压除了正弦的基波电压之外，还包含大量的谐波，引起谐波畸变。谐波带来能量损 耗，引起电机发热；低频谐波还能够引起转矩脉动，进而导致机械振动，引起声频噪声；陡 峭的脉冲还引发了严重的电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行。提高开关频率可以降 低谐波畸变，但逆变器中开关器件的工作频率有物理上限制，而且提高开关频率会增加开 关损耗。确定性SVPWM策略下逆变器输出电压中包含的大幅值谐波主要集中在开关频率的 整数倍附近，这些大幅值谐波可能加重电磁干扰等，并带来其他不良效应。
[0003] SVPWM技术的"伏一秒平衡"原理只规定了基本电压矢量作用的时间，并未规定其 作用的顺序及分布，这就为大量调制策略的出现提供了可能。两个零矢量作用时间可以按 照任意比例进行分配，也可以分为多个时间段进行作用；非零基本电压矢量作用时间也可 分为多段进行，作用次序可以任意排列。科研工作者及工程技术人员将这些因素随机化，开 发出了大量的随机化策略，如：（1)随机开关频率PWM(RSFPWM):只有开关频率参与随机化， 随机化维数为1 ; (2)随机脉冲位置PWM(RPPPWM):在保持基本电压矢量作用顺序及作用时 间的前提下，三相的高电平随机移动，随机化维数为3; (3)随机零矢量分配PWM(RZDPWM): 基本电压矢量中的两个零电压矢量的作用时间在比例上随机分配，随机化维数为1 ; (4)混 合随机PWM(HRPWM):若干种单一随机化策略的结合使用。
[0004] 由于两电平三相逆变器及SVPWM的广泛应用，一些微控制器/数字信号处理器芯 片中已经集成了生成确定性SVPWM控制信号脉冲的相关模块，大大简化了 SVPWM技术的应 用，提高了系统的可靠性与运行效率。
[0005] 随机SVPWM技术可以极大地削弱确定性SVPWM技术集簇谐波的峰值，在改善电磁 兼容性能等方面具有很好的效果。但是，不同的随机SVPWM策略实现的复杂度差别很大，有 的随机SVPWM策略只需要在现有的微控制器/数字信号处理器芯片上稍作软件上的改动 即可很好地应用，有的则非常复杂。如RZDPWM策略实现起来很简单，只需要将传统的两个 零矢量作用时间分配比例〇. 5替换为随机数即可，并且不影响在开关周期中间进行电流采 样，对控制系统不产生其他影响；而RPPPWM策略实现起来就比较复杂，它要求微控制器/数 字信号处理器芯片能够产生不对称的PWM波形。
[0006] 某种程度上，不同的随机SVPWM策略在削弱确定性SVPWM技术的集簇谐波峰值的 效果上具有等价性，也就是说，相同的削弱效果可以通过不同的随机化策略实现。而且，尽 管随机PWM概念的提出已经有20多年的历史，一些随机SVPWM策略已经具有很强实用价 值；但是很多随机SVPWM策略在实现方面方还存在着大量的技术问题需要解决。随机化带 来集簇谐波峰值削弱的良好效果的同时，也增加了应用与新策略研宄开发的难度。如何将 那些复杂的随机SVPWM策略等效转换为容易实现的随机SVPWM策略、以及如何通过等效转 换研宄开发新的随机SVPWM策略，这些都是亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0007] 针对随机空间矢量PWM(SVPWM)技术的随机化引起不同策略的等效转换关系复 杂、大量随机化策略具体实现起来困难等问题，本发明的目的在于提供一种随机空间矢量 PWM策略转换方法，以解决上述问题。
[0008] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下所描述： 一种随机空间矢量PWM策略转换方法，在实现随机空间矢量PWM策略转换的过程中，将 随机化维数为Ml的PWM策略STl向随机化维数为M2的PWM策略ST2转换时，包括以下步 骤： 51 :生成所述PWM策略STl的随机数矩阵RS1，所述随机数矩阵RSl的行数与列数分别 为Ml与Nl，根据生成的所述随机数矩阵RSl计算所述PWM策略STl下逆变器输出的电压脉 冲信号，采集输出电压的数字信号SIGl ; 52 :用快速傅里叶变换计算所述数字信号SIGl的频谱特性FSl的值，所述频谱特性 FSl包括幅频特性ASl与相频特性PSl ; 53 :将所述PWM策略ST2的随机数矩阵RS2的所有元素设为未知变量，所述随机数矩阵 RS2的行数与列数分别为M2与N2, 一共对应于M2 X N2个未知变量，计算所述PWM策略ST2 下逆变器输出的电压脉冲信号，并采集得到输出电压的数字信号SIG2的数学表达式，所述 数字信号SIG2中包含了代表所述随机数矩阵RS2的M2 XN2个未知变量； 54 :用离散傅里叶变换计算所述数字信号SIG2的频谱特性FS2的数学表达式，所述频 谱特性FS2包括幅频特性AS2与相频特性PS2 ; 55 :构造所述PWM策略STl向所述PWM策略ST2转换的目标函数，用大规模优化算法进 行优化，得到代表所述随机数矩阵RS2的M2 XN2个未知变量的值。
[0009] 进一步地，步骤S5中所述目标函数为所述PWM策略STl与所述PWM策略ST2的幅 频特性之差与相频特性之差的平方和，即所述幅频特性ASl与所述幅频特性AS2之差的平 方和，加上所述相频特性PSl与所述相频特性PS2之差的平方和。
[0010] 进一步地，当优化得不到设定精度的代表所述随机数矩阵RS2的M2XN2个未知变 量的值时，构造所述目标函数时舍弃相频特性之差的平方和，即所述目标函数为所述幅频 特性ASl与所述幅频特性AS2之差的平方和。
[0011] 进一步地，步骤Sl与S3中的信号采样只在调制波的基波的整数倍周期内进行，采 样时间记为T。
[0012] 进一步地，在所述采样时间T内，开关周期的个数K为所述随机数矩阵RSl的列数 Nl的整数倍，开关周期的个数K为所述随机数矩阵RS2的列数N2的整数倍。
[0013] 进一步地，代表所述随机数矩阵RS2的列数N2由优化过程确定。
[0014] 进一步地，构造所述目标函数时，设置了至少一个矩形窗函数，窗函数之外的频谱 特性在优化时不参与计算。
[0015]进一步地，优化过程为：取N2=nXNl，从n=l开始每次递增1进行大规模优化，直 到得到设定精度的解或N2的值大于K为止。
[0016]更进一步地，将调制比与调制波的基波频率都离散化，离散的网格点上所述基波 频率对应的所述基波周期为所述开关周期的整数倍。
[0017] 再进一步地，只优化计算离散化网格上对应的转换关系，在每个网格点上分别进 行优化计算，非网格点上的转换关系用最临近的网格点上的关系代替。
[0018] 本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果： (1)本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法，在频谱特性不变的情况下实现不 同随机SVPWM策略之间的相互转换。将具体实现起来困难的随机SVPWM策略转换为实现起 来方便的策略，方便随机SVPWM技术的应用。
[0019] (2)本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法，通过离散傅里叶变换计算频 谱特性，以频谱特性一致建立目标函数，并用大规模优化算法实现不同随机SVPWM策略之 间转换的求解，充分利用了现代计算机及工程优化软件优越的数值计算性能，规避了复杂 的数学公式推导与计算，方便了工程应用。
[0020] (3)在本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法中，目标函数采用平方和的 形式，保证了目标函数的连续性，为利用成熟的大规模优化算法求解提供了保证，能极大地 提高转换的精度。
[0021] (4)本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法中，构造目标函数时舍弃相频 特性，充分考虑了 SVPWM技术中谐波幅值带来的不良效应，剔除影响小的相位信息，降低了 优化求解过程的复杂性，提高了优化求解的效率。
[0022] (5)本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法，在调制波的基波的整数倍周 期内进行等效，使原本复杂问题得以简化，符合工程技术的思维，方便实际应用。
[0023] (6)本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法中，设置了矩形窗函数，充分考 虑了实际的工程应用。在实际应用中，通常只需要处理一些特定频段谐波引起的干扰等不 良效应，这些频段之外的不予考虑。矩形窗函数可以将这些特定频段之外的谐波成分从目 标函数中剔除，大大降低了优化函数的复杂度，提高了优化的精度与效率。
【附图说明】
[0024] 图1为两电平三相逆变器与电动机连接方法示意图； 图2本发明提供的随机空间矢量PWM策略转换方法步骤图； 图3为本发明中基波周期、开关周期、采样时间、随机数矩阵间的关系图； 图4为本发明中频谱加矩形窗前后示意图； 图5为基本电压