用于空间矢量调制和增强型空间矢量调制的伪零矢量的制作方法
【专利摘要】一种执行用于PWM控制的空间矢量调制，以产生AC波形的方法，该方法包括生成并对参考信号采样，以产生参考样本；以及执行参考矢量的近似，以合成与至少一个参考样本相关联的参考矢量。参考矢量近似在其形成中采用活动矢量、一个或多个零矢量、以及一个或多个伪零矢量。执行空间矢量调制（SVM）的另一种方法包括产生参考信号并以采样频率对该参考信号进行采样，以产生多个参考样本。该方法还包括执行参考矢量的近似，以合成与参考样本的至少一个参考样本相关联的参考矢量，其中所述参考矢量近似在其形成中具有采用两个相邻活动矢量的第一部分，和采用两个不相邻活动矢量的剩余部分。
【专利说明】用于空间矢量调制和增强型空间矢量调制的伪零矢量
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在例如电机控制应用中使用伪零矢量执行针对PWM控制的空间矢量调制，或增强型空间矢量调制，或二者以便产生AC波形的装置和方法。
【背景技术】
[0002]空间矢量调制(SVM)是一种用于控制脉冲宽度调制(PWM)的算法。其被用于产生交流电流(AC)波形；最常见的是从DC以不同的速度驱动三相交流供电的电机。SVM有许多变化形式，这导致不同的质量和计算要求。
[0003]如图1所示的三相逆变器100必须受到控制，从而在任何时候同一臂的两个开关都不能接通，否则DC供电将被短路。这一要求可通过在臂中开关的互补操作来满足。也就是说，如果A+是接通，则A—是断开，反之亦然。这导致针对逆变器100可能具有八个开关矢量，Vtl至V7，具有六个活动的开关矢量和两个零矢量，如图2的图表110所示。
[0004]为了实现空间矢量调制，利用频率为fs(Ts=l/fs)对参考信号Vief进行采样。参考信号可能从三个单独的相位参考值，例如使用α β Y变换。然后使用两个相邻的活动开关矢量和一个或两个零矢量的组合来合成参考矢量。存在选择矢量序列的顺序和使用哪个零矢量的各种策略。矢量的策略性选择将影响到谐波含量和开关损耗。
【发明内容】
[0005]本公开涉及一 种用于执行针对PWM控制的空间矢量调制以便产生交流波形的方法。该方法包括生成并采样参考信号以生成参考样本，并执行参考矢量的近似，以合成与至少一个参考样本相关联的参考矢量。参考矢量近似在其形成中采用活动矢量、一个或多个零矢量、以及一个或多个伪零矢量。
[0006]在该方法的一个实施例中，伪矢量包括其间具有180°的角度差的两个活动矢量的组合。在另一个实施例中，组合形成伪矢量的两个活动矢量具有相同的标量幅度。
[0007]在该方法的另一个实施例中，伪矢量包括其间具有120°的角度差的三个活动矢量的组合。在另一实施例中，组合形成伪矢量的三个活动矢量具有相同的标量幅度。
[0008]在该方法的一个实施例中，参考矢量近似中的活动矢量包括相邻的活动矢量。在另一实施例中，参考矢量的一部分由两个相邻的活动矢量近似，参考矢量的剩余部分由两个不相邻的活动矢量近似。根据一个实施例，由活动矢量驱动的参考矢量的一部分由变量m代表，其中O≤m≤I,由活动矢量驱动的参考矢量的剩余部分由Ι-m代表。当m=l时，由活动矢量驱动的整个参考矢量由两个邻近矢量近似，而当m=0时，由活动矢量驱动的整个参考矢量由两个不相邻的活动矢量近似。在一个实施例中，不相邻的活动矢量彼此相离120。。
[0009]根据本发明的另一个实施例，控制系统包括空间矢量调制器，其被配置为接收多个参考信号样本，并执行参考矢量的近似，以合成与参考样本的至少一个相关联的参考矢量。参考矢量近似在其形成中采用活动矢量、一个或多个零矢量、以及一个或多个伪零矢量，其中所述空间矢量调制器基于参考矢量近似输出定时信号。所述控制系统还包括脉宽调制单元，其被配置为接收来自空间矢量调制器的定时信号，并且基于其输出脉宽调制控制信号，以及三相逆变器，其被配置为接收所述脉宽调制控制信号并基于其产生交流电流波形。
[0010]在该控制系统的一个实施例中，伪矢量包括其间具有180°的角度差的两个活动矢量的组合。在另一个实施例中，组合形成伪矢量的两个活动矢量具有相同的标量幅度。
[0011]在该控制系统的另一个实施例中，伪矢量包括其间具有120°的角度差的三个活动矢量的组合。在另一实施例中，组合形成伪矢量的三个活动矢量具有相同的标量幅度。
[0012]在该控制系统的一个实施例中，参考矢量近似中的活动矢量包括相邻的活动矢量。在另一实施例中，参考矢量的一部分由两个相邻的活动矢量近似，参考矢量的剩余部分由两个不相邻的活动矢量近似。在一个实施例中，参考矢量的一部分由变量m代表，其中
O^ m ^ I,其中参考矢量的剩余部分由Ι-m代表。当m=l时，由活动矢量驱动的整个参考矢量由两个邻近矢量近似，而当m=0时，由活动矢量驱动的整个参考矢量由两个不相邻的活动矢量近似。在一个实施例中，不相邻的活动矢量彼此相离120°。
[0013]在控制系统的一个实施例中，三相逆变器包括在形成第一相输出的节点处连接在一起的第一串联连接开关对、在形成第二相输出的节点处连接在一起的第二串联连接开关对、以及在形成第三相输出的节点处连接在一起的第三串联连接开关对。所述逆变器还包括分流电阻器，与第一端子连接到第一、第二和第三串联连接开关对的每一个的下节点，并且第二端子耦合到参考电位，以及具有分别耦合到分流电阻器的第一和第二端子的第一和第二输入的放大器，其中所述放大器的输出反映了导通所述分流电阻器的电流水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]根据本公开的示例实施例将在下文中参照附图进行更加详细地描述，其中:
[0015]图1是用于生成交流波形的三相逆变器的示意图；
[0016]图2是示出用于切换图1的三相逆变器的开关的各种矢量的图表；
[0017]图3是示出图2的图表的基本电压空间矢量的六边形示意图；
[0018]图4是示出按照常规技术的参考矢量近似的六边形示意图；
[0019]图5是示出用于常规空间矢量调制(SVM)的归一化的时间相对于参考矢量角度的曲线图；
[0020]图6A-6E是示出了基本伪零矢量的六边形示意图，其中图6A-6C示出两个活动矢量的组合，图6D-6E示出三个活动矢量的组合；
[0021]图7A-7B示出使用一个伪零矢量的参考矢量的近似，诸如根据一个实施例在图6A-6C中所示的那样；
[0022]图8示出使用两个伪零矢量的参考矢量的近似，诸如根据一个实施例在图6A-6C中所示的那样；
[0023]图9是示出针对根据图7A-7B的实施例的参考矢量的最大逆变器DC链路电压利用率相对于λ的曲线图；
[0024]图10是示出使用伪零矢量的常规空间矢量调制(SVM)的归一化的时间相对于参考矢量角度的曲线图，诸如根据一个实施例的图7Α-7Β所示。[0025]图11是示出针对根据图8的实施例的参考矢量的最大逆变器DC链路电压利用率相对于λ的曲线图；
[0026]图12是示出使用伪零矢量的常规空间矢量调制(SVM)的归一化的时间相对于参考矢量角度的曲线图，诸如根据一个实施例的图8所示。
[0027]图13Α-13Β是示出诸如电机控制系统的控制系统模块图，其根据本发明的一个实施例采用在参考矢量的近似中使用伪零矢量空间矢量的空间矢量调制器；
[0028]图14是分别在极坐标和笛卡尔坐标中示出参考矢量的空间矢量六边形；
[0029]图15是示出诸如图13Α-13Β中所示的根据一个实施例采用单个分流电流感测的控制系统中的三相逆变器的模块图；
[0030]图16Α-16Β示出针对图7Α-7Β的示例的5段开关序列的示例；
[0031]图17Α-17Β示出针对图8的示例的5段开关序列的示例；
[0032]图18Α-18Β示出针对图8的示例的6段开关序列的示例；
[0033]图19Α-19Β示出针对图8的示例的7段开关序列的示例；
[0034]图20示出对应于图18Α所示的开关序列的DC链路电流；
[0035]图21是示出根据一个实施例利用一个伪零矢量的可替换的参考矢量近似的空间矢量六边形；
[0036]图22Α-22Β是示出根据本发明一个实施例利用三个相邻的活动矢量的采用增强型SVM的参考矢量近似的空间矢量六边形；
[0037]图23Α-23Β是示出根据一个实施例采用增强型SVM在m=0的情况下的参考矢量近似，从而参考矢量仅通过不相邻的活动矢量进行近似的空间矢量六边形；
[0038]图24是示出根据本发明一个实施例的针对增强型SVM的最大逆变器DC链路电压利用率相对于m的曲线图；
[0039]图25A-25B是分别示出根据一个实施例在m=0.8和m=0.2时针对增强型SVM的归一化时间相对于参考角度曲线的曲线图；
[0040]图26是示出根据一个实施例在m=0时针对增强型SVM的归一化时间相对于参考角度曲线的曲线图，；
[0041]图27A-27B是示出诸如电机控制系统的一种控制系统的框图，根据本公开的一个实施例，所述控制系统采用增强型SVM，所述增强型SVM在对参考矢量进行近似中可以包括不相邻的活动矢量；
[0042]图28是分别示出增强型SVM在极坐标和直角坐标中的参考矢量的空间矢量六边形；
[0043]图29是示出诸如图27A-27B所示的控制系统中的三相逆变器的框图，所述控制系统采用根据一个实施例的单个分路电流感测；
[0044]图30A-30B示出根据一个实施例的针对增强型SVM的4段开关序列的示例；
[0045]图31A-31B示出根据一个实施例的针对增强型SVM的6段开关序列的示例；
[0046]图32A-32B示出根据一个实施例在m=0时针对增强型SVM的3段开关序列的示例；
[0047]图33A-33B示出根据一个实施例在m=0时针对增强型SVM的5段开关序列的示例；[0048]图34示出了对应于图31A所示的开关序列的DC链路电流；
[0049]图35A-35B是示出增强型SVM的特殊情况的空间矢量六边形，其中图35A示出m ^ I的情况，以及图35B示出m < O的情况,其中四个活动矢量被用于对参考矢量进行近似，其中图35A示出相邻的活动矢量，以及图35B示出不相邻的活动矢量。
【具体实施方式】
[0050]在一些情况下，相同的附图标记在下文中被用于具有相同或相似功能特性的对象和功能单元。此外，各种示例性实施例的可选特征可以相互组合或由彼此替换。
[0051]对于工业和汽车电机控制装置，SVM被普遍使用在PMSM (永磁同步电机)和ACM(交流感应电机)的正弦换向控制(诸如V/f，F0C (磁场定向控制)，和DTC (直接转矩控制))，以从三相逆变器生成正弦波形。当相比于双分路和三分路电流感测技术，采用单个分路电流感测电阻器插入在逆变器DC链路中的正弦换向电机控制是一个理想的解决方案，这是因为其具有诸如成本低、间接性等重要优点。但是，一个脉宽调制(PWM)周期内的两个电流样本是正确的带有单个分路电流感测的电机相电流重构所需的。然而，常规SVM技术中，准确的电流构造在下列情形中是困难的:(1)参考电压空间矢量正在穿过扇区边界，由于只能测量一个电流样本(这种情况发生在许多情况下)和(2)当调制指数低和采样间隔太短时，没有电流样本可以获取(这通常发生在超低速电机控制)。
[0052]本公开为SVM提出了一种伪零矢量的新概念(可替换地这可以被称为准零矢量，或合成零矢量)，以解决上述问题。通过新的使用伪零矢量的SVM，能够给顾客提供低成本、高质量、更可靠、以及独特的电机控制方案(例如，具有单个分路电流感测的无传感器的F0C)o新的使用伪零矢量的SVM也可以在用于不间断电源、可再生能源等的三相电力逆变器控制中使用。
[0053]已有常规SVM的 参考矢量近似130和空间矢量图(正六边形)120分别在图3和4中示出。€到6是活动矢量。G和之不会在逆变器输出中产生任何电压差，并且它们是已
有SVM中仅有的两个零矢量(或被动矢量)。旋转的参考矢量ν,ν/\.ep是由两个相邻的
活动矢量(例如，扇区A中的0、V2 )和一个或两个已有零矢量(例如仅$ )近似的。空间矢
量六边形的平面被分割为从A到F六个扇区，而&,的角度Θ被转换成每个扇区中相对的
角度Kef。使用扇区A中的参考矢量作为示例，下面部分示出已有的或常规的SVM的计算。
[0054]使用伏秒平衡:
[0055]IW/ * =-- +(i)
iSiS
[0056]Ts = To+T^Ts (2)
[0057]对方程(I)和(2 )求解，可以得到:
[0058]T1 = Kstn (60。- Θ ref).Ts (3)
[0059]T2 = Kstn ( Θ ref).Ts (4)
[0060]加上方程(3)和(4)，可以得到:[0061]I\+T2 = Kstn (60。+ Θ ref).Ts (5)
[0062]因此所述零矢量时间是:
[0063]T0 = Ts-(T^T2) = [1-Kstn(60° + Θ ref) ].Ts (6)
[0064]其中:Ttl:应用零矢量的时间。零矢量可以是&000].或Qm]，或二者。T1-第一活动矢量(例如，扇区A中的g)的时间被应用在一个采样周期内，
[0065]T2-第二活动矢量(例如，扇区A中的I72)的时间被应用在一个采样周期内，
[0066]
【权利要求】
1.一种执行用于脉宽调制(PWM)控制的空间矢量调制(SVM)，以产生交流电流(AC)波形的方法，所述方法包括: 生成参考信号并以采样频率对所述参考信号采样以生成多个参考样本；以及执行参考矢量近似以将与所述参考样本的至少一个参考样本关联的参考矢量合成，其中所述参考矢量近似在其形成中采用活动矢量、一个或多个零矢量、以及一个或多个伪零矢量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中伪矢量包括其间具有180°的角度差的两个活动矢量的组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中组合形成所述伪矢量的所述两个活动矢量具有相同的标量幅度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中伪矢量包括其间具有120°的角度差的三个活动矢量的组合。
5.根据权利要求4所述的方法，其中组合形成所述伪矢量的所述三个活动矢量具有相同的标量幅度。
6.根据权利要求1所述的 方法，其中所述参考矢量近似中的所述活动矢量包括相邻的活动矢量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述参考矢量的一部分由两个相邻的活动矢量来近似，并且所述参考矢量的剩余部分由两个不相邻的活动矢量来近似。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述参考矢量的一部分由变量m来代表，其中O≤m≤1，并且其中所述参考矢量的所述剩余部分由Ι-m来代表，其中当m=l时，整个所述参考矢量由两个相邻的活动矢量来近似，并且其中当m=0时，整个所述参考矢量由两个不相邻的活动矢量来近似。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述不相邻的矢量彼此分离120°。
10.一种控制系统,包括: 空间矢量调制器，被配置为接收多个参考信号样本并且执行参考矢量近似以将与所述参考信号样本的至少一个参考信号样本关联的参考矢量合成，其中所述参考矢量近似在其形成中采用活动矢量、一个或多个零矢量、以及一个或多个伪零矢量，并且其中所述空间矢量调制器基于所述参考矢量近似来输出定时信号； 脉宽调制单元，被配置为从所述空间矢量调制器接收所述定时信号，并且基于所述定时信号来输出脉宽调制控制信号；以及 三相逆变器，被配置为接收所述脉宽调制控制信号并且基于所述脉宽调制控制信号来生成交流电波形。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中伪矢量包括其间具有180°的角度差的两个活动矢量的组合。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其中组合形成所述伪矢量的所述两个活动矢量具有相同的标量幅度。
13.根据权利要求10所述的控制系统，其中伪矢量包括其间具有120°的角度差的三个活动矢量的组合。
14.根据权利要求13所述的控制系统，其中组合形成所述伪矢量的所述三个活动矢量具有相同的标量幅度。
15.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述参考矢量近似中的所述活动矢量包括相邻的活动矢量。
16.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述参考矢量的一部分由两个相邻的活动矢量来近似，并且所述参考矢量的剩余部分由两个不相邻的活动矢量来近似。
17.根据权利要求16所述的控制系统，其中所述参考矢量的一部分由变量m来代表，其中OSmS 1，并且其中所述参考矢量的所述剩余部分由Ι-m来代表，其中当m=l时，整个所述参考矢量由两个相邻矢量来近似，并且当m=0时，整个所述参考矢量由两个不相邻的活动矢量来近似。
18.根据权利要求16所述的控制系统，其中所述不相邻的活动矢量彼此分离120°。
19.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述三相逆变器包括: 在形成第一相输出的节点处连接在一起的第一串联连接开关对； 在形成第二相输出的节点处连接在一起的第二串联连接开关对； 在形成第三相输出的节点处连接在一起的第三串联连接开关对； 分流电阻，用第 一端子连接到所述第一串联连接开关对、所述第二串联连接开关对和所述第三串联连接开关对中的每个串联连接开关对的下节点，并且用第二端子耦合到参考电位；以及 放大器，具有分别耦合到所述分流电阻的所述第一端子和所述第二端子的第一输入和第二输入，其中所述放大器的输出反映流过所述分流电阻的电流水平。
【文档编号】H02P27/08GK104009702SQ201410057929
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2013年2月20日
【发明者】赵涛, A·拉本斯泰恩, T·K·甘, C·K·郭, S·M·王 申请人:英飞凌科技股份有限公司