基于阶梯波序列的周期扩频PWM控制方法及装置与流程

本发明涉及电力电子
技术领域：
，特别涉及一种基于阶梯波序列的周期扩频pwm(pulsewidthmodulation，脉宽调制)控制方法及装置。
背景技术：
：随着电力电子技术的快速发展，电力电子变换器已经广泛应用于生产生活中。但是电力电子变换器中由于开关器件高频动作所引起的emi(electromagneticinterference，电磁干扰)问题同样得到了广泛关注。扩频pwm技术是一种基于改变电力电子变换器开关频率提出的用于抑制电力电子变换器emi的pwm技术，它能够改变emi的频谱分布，可以有效降低电力电子变换器开关频率及其倍数次处的emi峰值。相关技术中，将扩频pwm应用于抑制各种类型电力电子变换器的emi中，通过周期扩频pwm、随机扩频pwm、混沌扩频pwm等方法实现电力电子变换器的扩频pwm控制，并分析扩频pwm抑制emi的机理，利用解析方法、仿真和实验验证扩频pwm抑制emi的效果。传统周期扩频pwm以三角波、正弦波、方波等周期函数作为调制信号，通过选择调制参数，可以限制边带范围，但是emi峰值抑制能力不强；随机扩频pwm和混沌扩频pwm分别以随机信号和混沌信号作为调制信号，虽然对emi峰值具有很好的效果，但是随机信号和混沌信号频域上具有宽带白噪声特性，将边带连续地扩展到整个频率范围内，产生大量次谐波和低频谐波，造成次谐波噪声和低频噪声，不利于电力电子变换器emi的抑制。技术实现要素：本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法，该方法能够更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。本发明的另一个目的在于提出一种基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置。为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法，包括以下步骤：根据阶梯波函数生成阶梯波信号；对所述阶梯波信号进行采样，得到呈阶梯波分布的阶梯波序列；根据所述阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值；根据所述基准开关频率和所述扰动频率值得到频率变化的载波信号；根据所述载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号。本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法，可以通过对阶梯波信号进行采样得到阶梯波序列，从而根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值，并根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号，以对载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号，能够更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。另外，根据本发明上述实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阶梯波信号的数学表达式为：其中，a1，a2，n为阶梯波函数的参数。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式对所述阶梯波函数的参数进行限制，以使阶梯波序列的取值范围为(-1,1)，公式为：其中，fm为阶梯波信号的频率。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述载波信号的频率用如下公式表示，其值在预设范围内变化。fc＝fr+xi·δf,xi∈(-1,1),i＝1,2,...，其中，fc为混沌载波信号的频率，fr为基准载波频率，δf为最大频率波动值，xi为所述阶梯波序列。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电力电子变换器的参数获取所述阶梯波函数的参数a1，a2以达到最优的电磁干扰抑制效果。为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置，包括：第一生成模块，用于根据阶梯波函数生成阶梯波信号；采集模块，用于对所述阶梯波信号进行采样，得到呈阶梯波分布的阶梯波序列；第一获取模块，用于根据所述阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值；第二获取模块，用于根据所述基准开关频率和所述扰动频率值得到频率变化的载波信号；第二生成模块，用于根据所述载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号。本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置，可以通过对阶梯波信号进行采样得到阶梯波序列，从而根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值，并根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号，以对载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号，能够更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。另外，根据本发明上述实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本发明的一个实施例中，所述阶梯波信号的数学表达式为：其中，a1，a2，n为阶梯波函数的参数。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一生成模块还用于通过以下公式对所述阶梯波信号的参数进行限制，以使阶梯波序列的取值范围为(-1,1)，公式为：其中，fm为阶梯波信号的频率。进一步地，在本发明的一个实施例中，所述载波信号的频率用如下公式表示，其值在预设范围内变化。fc＝fr+xi·δf,xi∈(-1,1),i＝1,2,...，其中，fc为混沌载波信号的频率，fr为基准载波频率，δf为最大频率波动值，xi为所述阶梯波序列。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电力电子变换器的参数获取所述阶梯波函数的参数a1，a2以达到最优的电磁干扰抑制效果。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法的流程图；图2为根据本发明一个实施例的阶梯波信号示意图；图3为根据本发明一个实施例的阶梯波调制信号示意图；图4为根据本发明一个具体实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法的流程图；图5为根据本发明一个实施例的boost变换器拓扑图及其emi干扰路径的示意图；图6为根据本发明一个实施例的不同控制方式下boost变换器vds频谱示意图；图7为根据本发明另一个实施例的不同控制方式下boost变换器vds频谱示意图；图8为根据本发明再一个实施例的不同控制方式下boost变换器vds频谱示意图；图9为根据本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在介绍本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法及装置之前，先来简单介绍下传统扩频pwm实现方法。对于电力电子变换器的扩频pwm控制，其开关频率不再是一个恒值，而是在一定范围内变化的，开关频率fs可由式(1)表达。fc＝fr+xi·δf,xi∈(-1,1),i＝1,2,...(1)其中，fr为基准开关频率，δf为开关频率波动范围，xi为调制信号序列，通过在基准开关频率的基础上迭加一个扰动频率值，以实现开关频率在一定范围内变化。在扩频pwm控制中，调制信号通常采用周期信号(正弦波信号、三角波信号、方波信号等)、随机信号、混沌信号(logistic映射、tent映射、chebyshev映射等)。根据电力电子变换器pwm控制原理，调制波信号与载波信号比较产生开关器件的控制信号，在扩频pwm控制中，利用调制波信号与频率变化的载波信号比较产生pwm控制信号，控制电力电子变换器工作，以此实现扩频pwm控制。下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的种基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法。图1是本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法的流程图。如图1所示，该基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法包括以下步骤：在步骤s101中，根据阶梯波函数生成阶梯波信号。其中，在本发明的一个实施例中，阶梯波信号的数学表达式为：其中，a1，a2，n为阶梯波函数的参数。可以理解的是，在上述的公式参数中，n可以决定f(x)的阶梯个数，生成的阶梯波数量为2n+2，n＝1,2,3,...，a1和a2决定各个阶梯波的高度和宽度；对于中间值位于坐标原点的阶梯波信号，其一般数学表达式如式(2)所示。式中，n,m＝1，2，3，...，n决定f(x)为正值时的阶梯个数，m决定f(x)为负值时的阶梯个数，a1和a2决定各个阶梯波的高度和宽度。可选地，根据式(1)中xi的取值范围：xi∈(-1,1)，则应取n＝m，因此式(2)可以改写为：式(3)中由n决定整体阶梯波信号中阶梯个数。若取n＝3，则生成的阶梯波信号如图2所示。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式对阶梯波函数的参数进行限制，以使阶梯波序列的取值范围为(-1,1)，公式为：其中，fm为阶梯波信号的频率。可以理解的是，若将图2所示信号用于电力电子变换器扩频pwm控制中，需要对阶梯波函数的参数做如下限定：其中，fm定义为阶梯波信号的频率，即阶梯波扩频pwm控制中调制信号的频率。则在实际控制中，阶梯波调制信号的波形如图3所示。在步骤s102中，对阶梯波信号进行采样，得到呈阶梯波分布的阶梯波序列。在步骤s103中，根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值。在步骤s104中，根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号。在步骤s105中，根据载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号。进一步地，在本发明的一个实施例中，载波信号的频率用如下公式表示，其值在预设范围内变化。fc＝fr+xi·δf,xi∈(-1,1),i＝1,2,...，其中，fc为混沌载波信号的频率，fr为基准载波频率，δf为最大频率波动值，xi为所述阶梯波序列。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电力电子变换器的参数获取阶梯波函数的参数a1，a2以达到最优的电磁干扰抑制效果。可以理解的是，阶梯波函数的参数a1，a2，n值的选取对扩频pwm控制抑制电力电子变换器效果影响很大，需要对所应用的电力电子变换器合理的选取参数a1，a2，n值以达到最优的电磁干扰抑制效果。具体地，对于阶梯波扩频pwm，式(1)中的xi可以由阶梯波信号产生。其中，阶梯波扩频pwm实现原理流程图如图4所示，本发明实施例的方法首先根据阶梯波公式生成阶梯波信号；其次对阶梯波信号进行采样，以得到呈阶梯波分布的序列值，从而替代式(1)中的xi；再次利用式(1)产生频率在一定范围内变化的载波信号与调制波比较，产生扩频pwm控制信号，进而控制电力电子变换器开关器件的通断，以实现电力电子变换器的阶梯波扩频pwm控制。举例而言，为了分析阶梯波扩频pwm控制对于抑制电力电子变换器emi的效果，本发明实施例以常用的boost变换器为例，将阶梯波扩频pwm应用于boost变换器的控制中，boost变换器的拓扑图如图5所示。对于boost变换器，emi的主要成分为传导emi，传导emi按照其干扰路径可以分为共模emi和差模emi，其干扰路径如图5所示。根据共模emi和差模emi的产生机理，开关器件q的栅源电压vds为boost变换器的主要电磁干扰源。在开关器件开通与关断过程中，vds为脉动电压，通过boost变换器电感、电压源、线路以及寄生参数形成干扰电流，进而产生共模emi与差模emi，共模emi与差模emi最终由干扰源和干扰路径阻抗共同决定。由于扩频pwm控制抑制电力电子变换器emi的机理是改善电磁干扰源的频谱分布，在图5所示的boost变换器中，扩频pwm控制能够改变emi源电压vds的频谱分布，所以本发明实施例的方法在下文只针对电压vds的频谱进行分析。本发明实施例的方法利用matlab/simulink搭建了扩频pwm控制下的boost仿真电路，表1为boost变换器系统仿真参数表。表1参数数值输入电压20v功率120w输出电压50v基准开关频率fr20khz最大频率扰动△f1khz根据式(3)可以生成不同阶梯数量、不同频率的阶梯波调制信号，同时为了说明阶梯波扩频pwm控制对于抑制emi有效性，本发明实施例的方法分别将阶梯波扩频pwm与传统定频pwm、三角波扩频pwm、混沌扩频pwm进行对比，另外，还对不同阶梯数量时，阶梯波扩频pwm对于boost变换器频谱的影响进行分析。首先介绍的是阶梯波扩频pwm与传统定频pwm、三角波扩频pwm之间的对比。设置公式(3)中n＝14，从而可以生成阶梯数量为30的阶梯波作为阶梯波调制信号应用于boost变换器的控制中。三角波扩频pwm采用三角波信号，需要说明的是，三角波信号和阶梯波信号的频率相同。利用仿真对定频pwm、三角波扩频pwm、阶梯波扩频pwm控制下的boost变换器vds进行测量。三种控制方式下的boost变换器vds频谱图如图6(a)所示，其在0～50khz的放大图如图6(b)所示。如图6所示，三角波扩频pwm和阶梯波扩频pwm与定频pwm控制下的boost变换器相比，三角波扩频pwm和阶梯波扩频pwm均能减小开关频率及其倍数次的谐波峰值，且二者的扩频宽度也基本相同，但是在阶梯波扩频pwm控制下，开关频率及其倍数次谐波幅值更低，在20khz处，定频pwm控制下幅值为144.5dbμv，在三角波扩频pwm控制下幅值为130dbμv，定频pwm控制下幅值为127dbμv，说明阶梯波扩频pwm在改善vds频谱的效果更好。其次介绍的是阶梯波扩频pwm与传统定频pwm、混沌扩频pwm之间的对比。同样设置公式(3)中n＝14，从而生成阶梯数量为30的阶梯波作为阶梯波调制信号应用于boost变换器的控制中。混沌扩频pwm控制采用logistic混沌映射，其表达式如式(5)所示：ξi＝μξi-1(1-ξi-1),ξi∈(0，1),i＝1,2,...(5)当参数μ＝4，初始条件ξ＝0.6时，logistic混沌映射将处于混沌状态，将此映射应用于式(1)，实现混沌扩频pwm控制。利用仿真对定频pwm、混沌扩频pwm、阶梯波扩频pwm控制下的boost变换器vds进行测量。三种控制方式下的boost变换器vds频谱图如图7(a)所示，其中，在0～50khz的放大图如图7(b)所示。如图7所示，与定频pwm控制下的boost变换器相比，混沌扩频pwm也能减小开关频率及其倍数次的谐波峰值，但是在混沌扩频pwm控制下，在减小开关频率及其倍数次谐波峰值的同时，会在开关频率及其倍数次周围产生大范围、高幅值的次谐波，如图7(b)所示，阶梯波扩频pwm只在开关频率及其倍数次附近小频带范围内有谐波幅值的增加，而且在20khz处，混沌扩频pwm控制下幅值为136dbμv，比阶梯波扩频pwm控制下幅值要高9dbμv。综上分析，对比混沌扩频pwm，阶梯波扩频pwm抑制emi效果更好。最后介绍的是阶梯数量不同时阶梯波扩频pwm控制的对比。分别设置公式(3)中n＝14和n＝19，从而生成阶梯数量为30和阶梯数量为40的阶梯波作为阶梯波调制信号，将其应用于boost变换器的控制中，进而对比阶梯数量对于频谱分布的影响。仿真结果如图8(a)所示，其在0～50khz的放大图如图8(b)所示，从图中可以看到当阶梯数量增加时，对于开关频率及其倍数次谐波峰值的抑制效果更好，在20khz处，n＝19时阶梯波扩频pwm控制下幅值为124dbμv，比n＝14时降低了3dbμv。根据本发明实施例提出的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法，可以通过对阶梯波信号进行采样得到阶梯波序列，从而根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值，并根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号，以对载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号，更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置。图9是本发明实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置的结构示意图。如图9所示，该基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置10包括：第一生成模块100、采集模块200、第一获取模块300、第二获取模块400和第二生成模块500。其中，第一生成模块100用于根据阶梯波函数生成阶梯波信号。采集模块200用于对阶梯波信号进行采样，得到呈阶梯波分布的阶梯波序列。第一获取模块300用于根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值。第二获取模块400用于根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号。第二生成模块500用于根据载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号。本发明实施例的装置10可以根据载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号，更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。进一步地，在本发明的一个实施例中，阶梯波信号的数学表达式为：其中，a1，a2，n为阶梯波函数的参数。进一步地，在本发明的一个实施例中，第一生成模块100还用于通过以下公式对阶梯波函数的参数进行限制，以使阶梯波序列的取值范围为(-1,1)，公式为：其中，fm为阶梯波信号的频率。进一步地，在本发明的一个实施例中，载波信号的频率用如下公式表示，其值在预设范围内变化。fc＝fr+xi·δf,xi∈(-1,1),i＝1,2,...，其中，fc为混沌载波信号的频率，fr为基准载波频率，δf为最大频率波动值，xi为所述阶梯波序列。进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电力电子变换器的参数获取阶梯波函数的参数a1，a2以达到最优的电磁干扰抑制效果。需要说明的是，前述对基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置，此处不再赘述。根据本发明实施例提出的基于阶梯波序列的周期扩频pwm控制装置，可以通过对阶梯波信号进行采样得到阶梯波序列，从而根据阶梯波序列和最大频率波动得到扰动频率值，并根据基准开关频率和扰动频率值得到频率变化的载波信号，以对载波信号和调制波信号比较生成扩频pwm控制信号，更为有效的抑制电力电子变换器电磁干扰，在抑制效果上，不仅能够更大幅度的降低开关频率及其倍数次谐波幅值，更重要的是只在开关频率及其倍数次附近小范围内有谐波幅值的增加，频谱频率扩展范围窄，避免了低频噪声及次谐波噪声的产生，能够进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页12