一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法

专利名称：一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法
技术领域：
本发明属于电力电子变换装置的脉宽调制控制技术领域，可应用于交流电机调速系统、交流电源、高压大容量电力电子变换装置等设备的控制中。

背景技术：
脉宽调制方法是目前控制电力电子变换装置的核心技术。最早出现的正弦波脉宽调制方法(SPWM)直接将正弦指令信号与高频载波比较，输出脉宽调制信号，较适合采用模拟器件实现，因此在以往的模拟控制系统中用得较多。但该方法在一定的直流母线电压下输出交流电压偏低，即其对直流母线的电压利用率偏低，如在三相系统中，在保证输出电压波形正弦的前提下，其输出相电压幅值仅为直流母线电压的

为改善这一缺陷，后来人们又提出了电压空间矢量调制方法(SVPWM)。SVPWM方法引入了电压空间矢量的概念在三相系统中，根据逆变装置功率开关的开关状态组合，可将逆变器的输出电压分为8种不同的电压空间矢量，其中2个为零矢量，6个非零的基本矢量。采用SVPWM方法时实际输出的电压矢量是通过上述8个矢量来合成的。SVPWM方法本质是在矢量合成中叠加了共模电压，使得其调制范围扩大，提高了电压利用率，其输出的相电压幅值可达到直流母线电压的

倍。SVPWM方法是目前各种逆变装置中最常用的调制方法。但该方法也存在一些缺陷首先共模电压偏大，容易引起损耗和电磁兼容问题，特别是在一些高电压应用场合；其次，空间矢量概念较抽象，无法直接得到调制信号，其计算过程繁琐，需要进行坐标变换、扇区判断、三角函数运算的步骤。为此，后来人们又陆续提出了空间矢量调制的改进方法，如中国发明专利200610165591.3提出的“一种可减小共模电压的两相PWM调制方法”，采用增加一个单位矢量进行合成的思路，可以在一定范围内减小输出共模电压；中国发明专利200710163379.8提出的“一种采用空间矢量脉冲宽度调制的电机控制方法和装置”，通过计算零序分量的方法模拟SVPWM的实现，可对共模电压进行调整，也能在一定范围内减小共模电压；中国发明专利200710088605.0提出的“用于电压源逆变器的脉宽调制控制的方法和装置”，通过改变零矢量宽度的方法减小负载电机损耗等。上述方法在减小共模电压及损耗方面有一定的效果，但基本都还是沿用空间矢量调制的矢量合成概念，无法改善空间矢量复杂的推算过程，甚至更进一步加大了复杂程度，另外，对共模电压的抑制程度并没有达到最大化，因此并没有得到大范围的推广，目前在实际中应用最多的还是SVPWM调制方法。为此，本发明专利抛弃传统空间矢量调制方法的矢量合成概念，通过对逆变装置输出电压限制条件的深入分析，直接对瞬时相电压指令信号进行分析判断，根据需要选择共模电压值，可保证任意瞬间所需共模电压最小。实现该方法的思路清晰，计算中无需坐标变换、扇区判断、三角函数运算等，计算过程简单并容易数字化实现。可应用于所有需要进行逆变的脉宽调制控制系统中，可减小系统软件开销，并最大限度地降低共模电压，减小由此引发的损耗和电磁兼容问题。


发明内容
本发明目的在于提出一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法。
本发明特征在于，所述方法是在集成电路中依次以以下步骤实现的 步骤(1)、向所述集成电路中输入三相瞬时值形式的目标电压值uAO，uBO，uCO； 步骤(2)、按下式去除所述三相瞬时值形式的目标电压中已有的共模电压，得到 步骤(3)、按下式判断步骤(2)中得到的已去除共模电压的目标电压值

是否已进入过调制区 max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD， 其中VD为直流母线电压，uAB，uBC，uCA为瞬时值形式的线电压目标值； 若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)≤VD，则未进入过调制区，每相目标电压值仍为步骤(2)中的

表示为 若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，则已进入过调制区，所述每相目标电压值变为 步骤(4)、按下式判断是否需要在步骤(3)得到的所述每相目标电压值中叠加最小瞬时共模电压 若则无需叠加共模电压，每相目标电压值仍为步骤(3)中的

表示为 若需叠加共模电压，则 当

所对应的相电压时，每相目标电压值为 当

所对应的相电压时，每相目标电压值为 步骤(5)、按下式计算脉宽调制占空比 步骤(6)、输出三路脉宽调制电路PWM的比较寄存器值 其中Tx_PR为集成电路中PWM计数器的周期寄存器值或载波周期。
上述执行步骤如附图1所示。
上述步骤(1)中，如果输入的是静止坐标系下矢量形式的目标电压值uα，uβ，则要按下式进行静止的2/3变换，然后开始转入步骤(3)直接进行过调制判断 其后步骤不变。
上述步骤(1)中，如果输入的是旋转坐标系下的目标电压值ud，uq，则要按下式进行旋转2/3变换，然后开始转入步骤(3)直接进行过调制判断 其中θ为旋转dq坐标系相对于静止ABC坐标系的转角，其后步骤不变。
本发明所提调制方法完全抛开空间矢量概念，直接基于相电压瞬时值进行分析和计算，所有步骤思路清晰，无需复杂运算，很容易在工程上实现。算法中运算主要为逻辑判断和四则运算，大部分计算步骤正常工作情况下都会被跳过，可以保证很高的实时性。同时，该方法通过瞬时共模电压叠加，可保证各种工况下系统输出最小的共模电压，并能自动进入过调制区。下面对该方法的输出特性与SVPWM方法进行对照比较 在如附图2所示的电压空间矢量坐标系中，六边形1由6个基本矢量的端点构成，基本矢量长度为

其内接圆为圆2，半径为

圆1为半径为

且与圆2同心的圆。下面分几个区域讨论本发明申请所提方法与SVPWM方法的差异 1、区域I，目标电压矢量Vref位于圆1内。
1.1 采用本申请所提方法时，由于线电压幅值不超过

并且目标电压矢量在A、B、C三相坐标系下的分量在范围

内，因此既不满足过调制条件，也不满足需要叠加共模电压的条件，这一区域为无需叠加共模电压的区域，调制特性与SPWM方法相当。
1.2 采用SVPWM方法时，以七段式SVPWM为例说明，在一个采样周期T内，设t1为第一个基本矢量作用时间，t2为第二个基本矢量作用时间，t0为零矢量作用时间。其中零矢量作用时间分为两段，一段为零矢量(000)，一段是零矢量(111)，一般采用平均分配的方法，所以零矢量对共模电压的贡献为零。因此共模电压主要取决于两个非零基本矢量的作用时间。可以证明，任意两个相邻的基本矢量平均共模电压必然一个为
，另一个为
。假设第一个基本矢量的平均共模电压为

第二个基本矢量的平均共模电压为

那么在一个采样周期内的平均共模电压为 可以证明，在t1与t2差值最大时，即目标电压矢量位于6个基本矢量方向时，该共模电压达到最大值，其大小为 其中|Vref|为目标电压矢量幅值。
2、区域II，目标电压矢量Vref位于圆1外，圆2内。
2.1 采用本申请所提方法时，线电压幅值不超过VD，但目标电压矢量在A、B、C三相坐标系下的分量超出范围

因此不满足过调制条件，但满足需要叠加共模电压的条件，可以证明所需共模电压值在目标电压矢量位于基本矢量方向时达到最大值，其值为 2.2 采用SVPWM方法时，分析方法与1.2相同。
3、区域III，目标电压矢量Vref位于圆2外，六边形1内。
3.1 采用本申请所提方法时，分析同2.1，系统自动进入六边形电压矢量区域。
3.2 采用SVPWM方法时，分析同1.2，系统进入六边形电压矢量区域。
4、区域IV，目标电压矢量Vref位于六边形1外。
4.1 采用本申请所提方法时，线电压幅值超过VD，目标电压矢量在A、B、C三相坐标系下的分量超出范围

满足过调制条件，同时满足需要叠加共模电压的条件，系统自动进入过调制状态。
4.2 采用SVPWM方法时，必须进行过调制状态的设计，以使系统保持工作。
根据上述分析，附图3给出了采用不同调制方法时共模电压最大值与目标电压矢量幅值的关系，其中曲线1为采用SVPWM方法时共模电压最大值与目标电压矢量幅值关系，曲线2为采用本申请所提调制方法时共模电压最大值与目标电压矢量幅值关系，可以看出，采用后一种方法时共模电压最大值得到了大幅减少，其为理论所能达到的最小值。



图1为基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法的流程图； 图2为电压矢量区域图； 图3为空间矢量电压调制方法与本发明方法共模电压的比较； 图4为三相逆变装置主电路； 图5为初始三相目标电压值； 图6为经过叠加共模电压的三相目标电压值。
实施方式 本发明提出一种新型的脉宽调制方法，其特征在于该方法根据电压源型逆变装置输出电压状态的限制条件，能通过直接对每相目标电压值的分析和计算，给出功率单元的控制信号。下面以典型的三相逆变系统为例说明其工作原理。如附图4所示的三相逆变电路中，直流母线电压为VD，选择直流母线电压的

作为参考电压零点，即附图4中O点。采用SPWM或SVPWM等脉宽调制方法对功率开关T1～T6进行调制控制，可以在A、B、C端点输出受控的交流电压。
本发明根据逆变装置输出状态的物理限制直接给出每相电压的目标值。为此首先对每相输出电压的限制条件进行分析由附图4可以看出，对于A相输出电压uAO，当T1占空比DA由0变化到最大值1时(此时T2与T1互补开通关断)，uAO变化范围为

同理，B、C相的输出电压uBO，uCO变化范围同样为

这一变化范围就是每相输出电压的限制条件，超出这一范围物理上是无法实现的。这就是直接采用正弦电压信号调制的SPWM方法输出相电压幅值仅为

的根本原因。而采用SVPWM调制能提高电压利用率的本质是在于，调制过程中，三相输出电压叠加了一个共同的偏移值，使得三相目标电压值落入到了

这一物理可实现范围。这一共同的偏移值即是所谓共模电压值。加入共模电压并不会影响输出到负载端的线电压值，但会带来负载中点电压的波动，由此可能引发损耗和电磁干扰等问题，因此在保证输出电压波形的情况下应尽量减少共模电压值，但空间矢量算法并没有专注于这一问题的解决。
下面直接由三相电压瞬时值的情况来分析共模电压的作用。如果三相目标电压值uAO，uBO，uCO某一时刻处于如附图5所示状态，可以看出uBO绝对值最大，并且超出了可实现范围

因此需要叠加共模电压，使得所有三个目标电压值都落入可实现范围。如附图6所示，针对如附图5所示目标电压状况的共模电压叠加方法实际上是将中点向下移动，使得三个端点同时落入

范围，可以看出，这段移动的距离uOO′即为叠加的共模电压。此时，三相目标电压值变为uA′O，uB′O，uC′O。分析表明，只要三个电压端点中任意两个端点的纵轴方向距离都小于等于VD，即输出线电压uAB，uBC，uCA变化范围落入-VD～+VD，则上述叠加共模电压的方法总能得到实现，并且这个共模电压可以在一段范围内任意取值，如附图5所示状况下其可取的最小值为

而如果输出线目标电压值变化范围超出了-VD～+VD，此时无论怎么选择共模电压都不能保证三个电压端点同时落入

范围，这种状况对应着过调制情况。此时，输出电压矢量的幅值已不能保证，因此退而求其次，仅保证电压矢量方向不变，即保证三相目标电压值的比例关系不变。为了使线电压变化范围落入-VD～+VD，此时首先需要将每相目标电压值共同缩小

再进行叠加共模电压的算法即可。
实际控制系统中最终需求取每相调制占空比DA，DB，DC，在常用的集成电路构成的控制系统中，还需求出PWM电路的三个比较寄存器值。由于每相占空比由0变化到最大值1时，对应相电压线性地从

变化到

由此可以根据得到的每相目标电压值计算出相应的占空比。将该占空比通过PWM电路的比较寄存器输出即可实现所需目标电压。
权利要求
1.一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法，其特征在于，所述方法是在集成电路中依次以以下步骤实现的
步骤(1)、向所述集成电路中输入三相瞬时值形式的目标电压值uAO，uBO，uCO；
步骤(2)、按下式去除所述三相瞬时值形式的目标电压中已有的共模电压，得到
步骤(3)、按下式判断步骤(2)中得到的已去除共模电压的目标电压值
是否已进入过调制区
max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，
其中VD为直流母线电压，uAB，uBC，uCA为瞬时值形式的线电压目标值；
若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)≤VD，则未进入过调制区，每相目标电压值仍为步骤(2)中的
表示为
若max(|uAB|，|uBC|，|uCA|)＞VD，则已进入过调制区，所述每相目标电压值变为
步骤(4)、按下式判断是否需要在步骤(3)得到的所述每相目标电压值中叠加最小瞬时共模电压
若则无需叠加共模电压，每相目标电压值仍为步骤(3)中的
表示为
若需叠加共模电压，则
当所对应的相电压时，每相目标电压值为
当所对应的相电压时，每相目标电压值为
步骤(5)、按下式计算脉宽调制占空比
步骤(6)、输出三路脉宽调制电路PWM的比较寄存器值
其中TX_PR为集成电路中PWM计数器的周期寄存器值或载波周期。
2.根据权利要求1所述的一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，当输入的是静止坐标系下矢量形式的目标电压值uα，uβ，则要按下式进行静止的2/3变换，然后开始转入步骤(3)直接进行过调制判断
其后步骤与权利要求1所述后续步骤一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，当输入的是旋转坐标系下的目标电压值ud，uq，则要按下式进行旋转2/3变换，然后开始转入步骤(3)直接进行过调制判断
其中θ为旋转dq坐标系相对于静止ABC坐标系的转角，其后步骤与权利要求1所述后续步骤一致。
全文摘要
一种基于瞬时最小共模电压叠加的脉宽调制方法，属于电力电子变换装置的脉宽调制控制技术领域。其特征在于，当集成电路输入一个瞬时值形式或矢量形式的目标电压值时，在经过坐标变换和去除共模电压处理后，根据逆变装置的输出限制，首先以线电压是否落入-VD～+VD范围为条件，进行过调制判断，其中VD为直流母线电压；如进入过调制区，则等比例缩小相电压目标值，使线电压落入-VD～+VD范围；之后将得到的相电压目标值都叠加一个最小的共模电压，使其落入-(VD/2)～+(VD/2)范围；之后即可计算每相脉宽调制占空比。与目前常用的空间矢量调制方法相比，本方法可使共模电压最大程度地减小，达到该类方法在理论上所能达到的最小值，且计算过程更为简单。
文档编号H02M7/5387GK101359881SQ20081022302
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者曦 肖 申请人:清华大学