用于电机控制的PWM调制方法和装置与流程

本公开涉及电机控制领域，具体地，涉及一种用于电机控制的pwm调制方法和装置。

背景技术：

在大功率电机驱动的场合中，由于散热条件比较苛刻，逆变器的功率器件的开关频率会受限，一般在1khz以下，此时pwm的调制就会进入低载波比工况。另外，在电动汽车等应用场合中，为了提高电驱系统的功率密度，电机电频率在逐渐升高，最高达到1khz以上。此时如果采用igbt器件，也会存在低载波比的工况。在这些工况下，相对于其他调制方式，shepwm可以有效减小低载波比工况下的谐波和转矩脉动，提高系统的性能。

shepwm是一种同步调制的pwm，其实现方法一般都为离线查表的方式，其在电机驱动的应用场合，控制系统的实现比较复杂，其中包括shepwm角度计算和调制精度、不同调制模式的切换、代码实现效率等，有时会有控制精度不足、切换存在扰动、控制效率不佳等问题。目前pwm的调制方案较为复杂，通用性不强。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种通用性较强的用于电机控制的pwm调制方法和装置。

为了实现上述目的，本公开提供一种用于电机控制的pwm调制方法。所述方法包括：确定pwm调制模式；若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度；根据各相的当前电压角度与各相在全周期范围内的开关角度，确定各相的当前电压角度所在的电平区间数；根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值。

可选地，所述若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度的步骤包括：若所确定的调制模式为shepwm时，根据预定的电机控制算法确定电压调制深度；在存储有开关角个数、电压调制深度和前周期的开关角度三者之间对应关系的数据库中，查找出与所确定的电压调制深度、所述预定的开关角个数二者对应的前周期的开关角度；根据查找到的前周期的开关角度确定在全周期范围内的开关角度。

可选地，所述根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值的步骤包括：

当n为奇数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平；

当n为奇数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

当n为偶数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

当n为偶数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平，其中，n为所述预定的开关角个数，r为当前电压角度所在的电平区间数。

可选地，所述方法还包括：若调制模式在不同的shepwm之间切换时，控制各相在电压角度为或处切换。

可选地，所述方法还包括：若所确定的调制模式为spwm或svpwm时，计算电压角度；根据所述电压角度构建逆变器的各相调制电压值；根据所述逆变器的各相调制电压值确定各相电平值。

可选地，通过以下公式计算电压角度：

θ＝α*p+β-γ

若所确定的调制模式为spwm时，所述逆变器的三相调制电压值构建为：

若所确定的调制模式为svpwm时，所述逆变器的三相调制电压值构建为：

其中，θ为电压角度，α为电机转子角度，p为电机极对数与旋变极对数之比，β为基波电压矢量角度，γ为电机初始位置角度，m为电压调制深度，ua、ub、uc分别为所述逆变器的三相调制电压值。

本公开还提供一种用于电机控制的pwm调制装置。所述装置包括：模式确定模块，用于确定pwm调制模式；开关角度确定模块，用于若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度；区间数确定模块，用于根据各相的当前电压角度与各相在全周期范围内的开关角度，确定各相的当前电压角度所在的电平区间数；电平值确定模块，用于根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值。

可选地，所述开关角度确定模块包括：第一确定子模块，用于若所确定的调制模式为shepwm时，根据预定的电机控制算法确定电压调制深度；查找子模块，用于在存储有开关角个数、电压调制深度和前周期的开关角度三者之间对应关系的数据库中，查找出与所确定的电压调制深度、所述预定的开关角个数二者对应的前周期的开关角度；第二确定子模块，用于根据查找到的前周期的开关角度确定在全周期范围内的开关角度。

可选地，所述电平值确定模块包括：

第三确定子模块，用于当n为奇数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平；

第四确定子模块，用于当n为奇数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

第五确定子模块，用于当n为偶数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

第六确定子模块，用于当n为偶数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平，其中，n为所述预定的开关角个数，r为当前电压角度所在的电平区间数。

可选地，所述装置还包括：控制模块，用于若调制模式在不同的shepwm之间切换时，控制各相在电压角度为或处切换。

通过上述技术方案，根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值，这样能够分别得到各相的电平值，实现shepwm的高精度调制，满足不同应用场合的需求，通用性好，且实现简单。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是一示例性实施例提供的用于电机控制的pwm调制方法的流程图；

图2是一示例性实施例提供的确定pwm调制模式的示意图；

图3和图4分别是开关角个数为奇数和偶数时，其中一相在各个电平区间的电平值的示意图；

图5是一示例性实施例提供的生成spwm输出的示意图；

图6是一示例性实施例提供的用于电机控制的pwm调制装置的框图；

图7是另一示例性实施例提供的用于电机控制的pwm调制装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1是一示例性实施例提供的用于电机控制的pwm调制方法的流程图。如图1所示，用于电机控制的pwm调制方法可以包括以下步骤。

在步骤s11中，确定pwm调制模式。

在步骤s12中，若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度。

在步骤s13中，根据各相的当前电压角度与各相在全周期范围内的开关角度，确定各相的当前电压角度所在的电平区间数r。

在步骤s14中，根据各相的当前电压角度所在的电平区间数r和预定的开关角个数n，确定各相在各个电平区间中的电平值。

可以利用常用的方法确定pwm调制模式。所确定的pwm调制模式可以包括spwm调制模式、svpwm调制模式和shepwm调制模式。图2是一示例性实施例提供的确定pwm调制模式的示意图。如图2所示，根据电机电频率(横坐标)和电机控制系统的开关频率(纵坐标)可以确定pwm调制模式。

其中，一段连续的高电平或一段连续的低电平为一个电平区间。在一个周期中，有多个电平区间。当开关角个数为n时，电平区间数r＝0,1,2，…，4n+1。

通过上述技术方案，根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值，这样能够分别得到各相的电平值，实现shepwm的高精度调制，满足不同应用场合的需求，通用性好，且实现简单。

在一实施例中，在图1的基础上，若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度的步骤(步骤s12)可以包括以下步骤：

若所确定的调制模式为shepwm时，根据预定的电机控制算法确定电压调制深度；

在存储有开关角个数n、电压调制深度m和前周期的开关角度三者之间对应关系的数据库中，查找出与所确定的电压调制深度m、预定的开关角个数n二者对应的前周期的开关角度；

根据查找到的前周期的开关角度确定在全周期范围内的开关角度。

其中，主控芯片可以根据电机系统采样，通过旋转坐标系下的电机控制算法，得到电压控制指令ud和uq，计算电压调制深度其中，m为电压调制深度，udc为直流母线电压。

预先可以建立存储有开关角个数、电压调制深度和前周期的开关角度三者之间对应关系的数据库。这三者的对应关系可以离线计算生成并存储。使用时通过查表的方式，由已知的两者获得第三者。

周期可以对应于的电压角度。查表获得前周期的开关角度后，利用和π的对称特性，可以得到全周期范围内的开关角度。

该实施例中，通过在预先计算生成的数据库中查表的方式获取前周期的开关角度，并利用对称性确定全周期的开关角度，处理方法简单，速度快，且不易出错。

在一实施例中，在图1的基础上，根据各相的当前电压角度所在的电平区间数r和预定的开关角个数n，确定各相在各个电平区间中的电平值的步骤(步骤s14)可以包括：

当n为奇数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平；

当n为奇数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

当n为偶数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平；

当n为偶数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平，其中，n为预定的开关角个数，r为当前电压角度所在的电平区间数。

也就是，根据shepwm的特性，(rmod2)xor(nmod2)＝1，则上管(上桥臂)shepwm输出为高电平，如果(rmod2)xor(nmod2)＝0，则上管(上桥臂)shepwm输出为低电平。其中，xor表示异或，mod表示取模。

图3和图4分别是开关角个数n为奇数和偶数时，其中一相在各个电平区间的电平值的示意图。

在图3和图4中，横坐标θ＝α*p+β-γ，θ为电压矢量的空间旋转角度，即电压角度，α为高速采样得到的电机转子角度，p为电机极对数与旋变极对数之比，β为基波电压矢量角度，γ为预设的电机初始位置角度。α1、α2、……、αn分别为第1、2、……、n个开关角对应的开关角度。在图3中，电平区间数r＝0对应着θ从0到第1个开关角度α1之间的电平，电平区间数r＝1对应着θ从第1个开关角度α1到第2个开关角度α2之间的电平。在α2到αn之间，可以有多个电平区间，以虚线示出。

在上述步骤s12中，确定逆变器的各相在全周期范围内的开关角度时，之间的开关角度可以由之间的开关角度完全对称地得到，(π-2π)之间的开关角度可以由(0-π)之间的开关角度对称后取反得到。

在上述步骤s13中，可以在当前电压角度在αp和αp+1之间时，确定当前电压角度所在的电平区间数r为p。其中，0≤p≤4n+1，p为整数。

例如，以其中一相为例，当前电压角度为则当前电压角度处于α1和α2之间，当前电压角度所在的电平区间数r为1。

在又一实施例中，所述方法还可以包括：若调制模式在不同的shepwm之间切换时，控制各相在电压角度为或处切换。

由图3和图4可以看出，不同开关角的shepwm在或附近电平是不发生变化的，所以，各相的shepwm输出应该选择在各相角度在或的位置进行不同shepwm的切换，这样可以保证切换时平滑无扰动。

在pwm调制完成后，可以添加死区，最后输出。

在又一实施例中，所述方法还可以包括以下步骤：

若所确定的调制模式为spwm或svpwm时，计算电压角度；

根据电压角度构建逆变器的各相调制电压值；

根据逆变器的各相调制电压值确定各相电平值。

其中，电压角度可以按照上文中所述的方法计算，即通过以下公式计算电压角度：

θ＝α*p+β-γ

若所确定的调制模式为spwm时，根据电压矢量逆变器的三相调制电压值可以构建为：

若所确定的调制模式为svpwm时，逆变器的三相调制电压值可以构建为：

其中，θ为电压角度，α为电机转子角度，p为电机极对数与旋变极对数之比，β为基波电压矢量角度，γ为电机初始位置角度，m为电压调制深度，ua、ub、uc分别为逆变器的三相调制电压值。

同时，可以通过载波频率来构建三角载波，通过将调制电压和三角载波进行比较产生spwm或者svpwm输出。图5是一示例性实施例提供的生成spwm输出的示意图。

本公开还提供一种电机的pwm调制装置。图6是一示例性实施例提供的用于电机控制的pwm调制装置的框图。如图6所示，所述电机的pwm调制装置10可以包括模式确定模块11、开关角度确定模块12、区间数确定模块13和电平值确定模块14。

模式确定模块11用于确定pwm调制模式。

开关角度确定模块12用于若所确定的调制模式为shepwm时，确定逆变器各相在全周期范围内的开关角度。

区间数确定模块13用于根据各相的当前电压角度与各相在全周期范围内的开关角度，确定各相的当前电压角度所在的电平区间数。

电平值确定模块14用于根据各相的当前电压角度所在的电平区间数和预定的开关角个数，确定各相在各个电平区间中的电平值。

可选地，开关角度确定模块可以包括第一确定子模块、查找子模块和第二确定子模块。

第一确定子模块用于若所确定的调制模式为shepwm时，根据预定的电机控制算法确定电压调制深度。

查找子模块用于在存储有开关角个数、电压调制深度和前周期的开关角度三者之间对应关系的数据库中，查找出与所确定的电压调制深度、预定的开关角个数二者对应的前周期的开关角度。

第二确定子模块，用于根据查找到的前周期的开关角度确定在全周期范围内的开关角度。

可选地，电平值确定模块可以包括第三确定子模块、第四确定子模块、第五确定子模块和第六确定子模块。

第三确定子模块，用于当n为奇数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平。

第四确定子模块，用于当n为奇数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平。

第五确定子模块，用于当n为偶数，r为偶数时，将调制系统上桥臂的电压确定为高电平。

第六确定子模块，用于当n为偶数，r为奇数时，将调制系统上桥臂的电压确定为低电平，其中，n为预定的开关角个数，r为当前电压角度所在的电平区间数。

可选地，装置10还可以包括控制模块。

控制模块用于若调制模式在不同的shepwm之间切换时，控制各相在电压角度为或处切换。

可选地，装置10还可以包括计算模块、构建模块和电平确定模块。

计算模块用于若所确定的调制模式为spwm或svpwm时，计算电压角度。

构建模块用于根据电压角度构建逆变器的各相调制电压值。

电平确定模块用于根据逆变器的各相调制电压值确定各相电平值。

可选地，通过以下公式计算电压角度：

θ＝α*p+β-γ

若所确定的调制模式为spwm时，逆变器的三相调制电压值构建为：

若所确定的调制模式为svpwm时，逆变器的三相调制电压值构建为：

其中，θ为电压角度，α为电机转子角度，p为电机极对数与旋变极对数之比，β为基波电压矢量角度，γ为电机初始位置角度，m为电压调制深度，ua、ub、uc分别为逆变器的三相调制电压值。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

当前主流的shepwm调制系统实现方式是主控芯片+fpga芯片，在主控芯片中实现电机控制，以及shepwm的相关角度计算等工作，fpga只实现pwm电平输出的控制。在此方案中，主控芯片的计算量比较大，而且精度会受到主控芯片的执行周期影响，精度较差，且通用性较差。本公开中，主控芯片可以专职于电机控制算法的实现，fpga可以专职于包括shepwm在内的多种pwm的实现。主控芯片对fpga只需要简单的设置即可实现shepwm等多种pwm的高精度调制，设计通用性好，实现简单，精度高。

具体地，本公开提供的调制装置，可以采用主控芯片+fpga芯片+电机转子位置解码芯片的组合。图7是另一示例性实施例提供的电机的pwm调制装置的框图。其中，主控芯片用于实现电机控制算法以及pwm调制模式的选择，不实现具体的pwm调制，这样能够减小负荷。

fpga芯片设计成专用pwm调制芯片，用于包括shepwm在内的多种pwm的调制，其中包括角度的存储和计算、电机转子位置采样、平滑切换以及添加死区等工作。由于fpga是并行架构，执行速度快，可以实现高精度的pwm调制。

电机转子位置解码芯片用于电机转子位置的高速采样，即电机角度的高速解码，在fpga芯片中利用这个高速采样的角度实现shepwm等pwm的高速输出。

上述三个芯片之间可以采用并行通信，提高通信速率和效率。

该实施例中，在电机控制时，主控芯片只需要实现电机控制算法，并将特定的数据送给fpga特定的寄存器，就可以使fpga实现特定的高精度pwm输出，能够满足不同应用场合的需求，通用性好。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。例如。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。