一种空间电压矢量调制方法、装置及存储介质与流程

本发明涉及pwm控制技术领域，具体涉及一种空间电压矢量调制方法、装置及存储介质。

背景技术：

高速电机广泛应用于燃气轮机发电、飞轮储能和空气压缩机驱动等场合。但高频电能需转化成低频或直流以满足用户需求，高频电能的转换装置一般采用基于数字控制系统的电力电子变换器。通过对电力电子变换器调制算法的设计在电机定子中形成选型的旋转磁场，以驱动电机旋转。调制算法包括载波调制、空间矢量调制和特定谐波消除调制算法等。其中，空间矢量调制算法以电压利用率高和易于数字化的特点应用最为广泛。

空间矢量调制算法主要目标是计算逆变器基本矢量的作用顺序和时间，基本矢量将空间划分为6个区域称为扇区。基本矢量作用的时间在静止90度坐标系下进行计算。一般先计算第一扇区的基本矢量作用时间，再依据同样原理分别计算剩余5个扇区内基本矢量的工作时间。

为提高电机驱动系统的交流侧波形质量，三电平变换器也受到越来越多的关注，在高速高功率电机驱动中尤其如此。波形质量的优劣影响电机损耗特性，进而影响其寿命。因为在空间坐标系内三电平基本矢量将每个扇区又划分为4个区域，6个扇区共计24个区域。对每个区域的基本矢量作用时间需要列写24个等式进行计算，以得到基本矢量的作用时间。因此三电平空间矢量调制算法相对于两电平调制算法更为复杂，所消耗的中央处理器的资源更多。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种空间电压矢量调制方法、装置及存储介质，以解决现有技术中三电平空间矢量调制算法计算复杂、所消耗的中央处理器的资源较多的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种空间电压矢量调制方法，该调制方法包括如下步骤：根据静止90度坐标系矢量关系计算得到静止60度坐标系矢量关系；根据静止60度坐标系矢量关系进行60度坐标变换，计算得到旋转60度坐标系矢量关系；根据旋转60度坐标系矢量关系计算得到扇区内判断参考电压矢量位置的边界方程；根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间。

可选地，通过以下公式计算得到静止60度坐标系矢量关系：

其中，vα和vβ表示静止90度坐标系矢量关系，vg和vh表示静止60度坐标系矢量关系。

可选地，通过以下公式计算得到旋转60度坐标系矢量关系：

其中，和表示旋转60度坐标系矢量关系。

可选地，通过以下公式计算得到所述边界方程：

其中，l1、l2及l3表示旋转60度坐标系内小三角形区域的边界。

可选地，根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间，包括：根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三虚拟矢量的作用时间；根据所述邻近三虚拟矢量的作用时间确定邻近三基本矢量的作用时间。

可选地，该空间电压矢量调制方法还包括：根据所述邻近三基本矢量的作用时间确定pwm波的占空比及形态。

本发明实施例第二方面提供一种空间电压矢量调制装置，该调制装置包括：第一坐标转换模块，用于根据静止90度坐标系矢量关系计算得到静止60度坐标系矢量关系；第二坐标转换模块，用于根据静止60度坐标系矢量关系进行60度旋转，计算得到旋转60度坐标系矢量关系；边界方程计算模块，用于根据旋转60度坐标系矢量关系计算得到扇区内判断参考电压矢量位置的边界方程；作用时间计算模块，用于根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间。

本发明实施例第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的空间电压矢量调制方法。

本发明实施例第四方面提供一种空间电压矢量调制终端，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如空间电压矢量调制终端任一项所述的空间电压矢量调制方法。

本发明提供的技术方案，具有如下效果：

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法、装置及存储介质，通过参考电压矢量由静止90度坐标系转换到静止60度坐标系，再将得到的静止60度坐标系和参考电压矢量同步旋转，可以使得坐标系和参考电压矢量相对静止，因此采用旋转60度坐标系后，可以实现六个扇区内最近三矢量作用时间表达式统一，小三角形区域判断所涉及的边界方程统一，计算过程得以简化。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法，将6个扇区的子区域判断和基本矢量作用时间的表达式统一在一个扇区内，程序代码量可大幅缩减，可以将现有的三电平空间矢量调制算法简化，有利于降低数字控制系统的中断时间，提高电力电子器件的开关频率。进而提高高速电机的驱动电流波形质量，延长电机寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的空间电压矢量调制方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的旋转60度坐标系；

图3是根据本发明实施例的旋转60度坐标系中虚拟空间矢量调制的扇区划分图；

图4是t型中性点钳位型三电平逆变器拓扑结构图；

图5是t型钳位三电平变流器虚拟空间矢量图；

图6是旋转60度坐标系下n－4三角形区域pwm波形；

图7是参考电压矢量在旋转60度坐标系gh轴分量仿真结果；

图8是a相占空比仿真波形；

图9是线电压和相电流仿真波形；

图10是阻感负载下占空比及a相pwm实验波形；

图11是阻感负载下线电压和相电流实验波形；

图12是根据本发明实施例的空间电压矢量调制装置的结构框图；

图13是根据本发明实施例的空间电压矢量调制终端的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供一种空间电压矢量调制方法，如图1所示，该调制方法包括如下步骤：

步骤s101：根据静止90度坐标系矢量关系计算得到静止60度坐标系矢量关系；具体地，静止90度坐标系可以用αβ坐标轴表示，静止60度坐标系可以用gh坐标轴表示，假定参考电压矢量vref在静止90度坐标系中的坐标为(vα，vβ)，在静止60度坐标系中的坐标为(vg，vh)则两个坐标系之间的变换关系可以用公式(1)表示：

其中，vα和vβ表示静止90度坐标系矢量关系，vg和vh表示静止60度坐标系矢量关系。

步骤s102：根据静止60度坐标系矢量关系进行60度坐标变换，计算得到旋转60度坐标系矢量关系；具体地，该旋转60度坐标系是以60度为步长，与参考电压矢量同步旋转的坐标系。旋转60度坐标系可以用gγk和hγk坐标值表示，参考电压矢量vref在旋转60度坐标系中的坐标为则旋转60度坐标系和静止60度坐标系之间的变换关系可以用公式(2)和公式(3)表示：

其中，m∈[1,2,3,4,5,6]，m对应于i、ii、iii、iv、v和vi六个扇区，和表示旋转60度坐标系矢量关系。

步骤s103：根据旋转60度坐标系矢量关系计算得到扇区内判断参考电压矢量位置的边界方程；具体地，如图2所示，可以在旋转60度坐标系采用公式(4)确定旋转60度坐标系内小三角形的边界l1、l2及l3，根据该公式可以判断参考电压矢量的位置，即参考电压矢量具体位于哪个小三角形内。

其中，l1、l2及l3表示旋转60度坐标系内小三角形区域的边界。

步骤s104：根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间。具体地，在由边界方程确定参考电压矢量的位置后，可以再根据参考电压矢量的位置以及伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间，最后可以根据该作用时间确定具体的开关状态及作用次序。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法，由于旋转60度坐标系在空间坐标系内按时间顺序旋转6次，产生6个位置，分别对应于传统虚拟空间矢量法的i、ii、iii、iv、v和vi六个扇区。而邻近矢量时间计算的主要依据是三者与参考矢量的几何关系。由于i、ii、iii、iv、v和vi扇区信息以变量m的形式包含于旋转60度坐标系中，矢量作用时间的计算则不必考虑扇区信息。因此采用旋转60度坐标系后，可以实现六个扇区内最近三矢量作用时间表达式统一，小三角形区域判断所涉及的边界方程统一，计算过程得以简化。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法，通过参考电压矢量由静止90度坐标系转换到静止60度坐标系，再将得到的静止60度坐标系和参考电压矢量同步旋转，可以使得坐标系和参考电压矢量相对静止，因此采用旋转60度坐标系后，可以实现六个扇区内最近三矢量作用时间表达式统一，小三角形区域判断所涉及的边界方程统一，计算过程得以简化。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法，将6个扇区的子区域判断和基本矢量作用时间的表达式统一在一个扇区内，程序代码量可大幅缩减，可以将现有的三电平空间矢量调制算法简化，有利于降低数字控制系统的中断时间，提高电力电子器件的开关频率。进而提高高速电机的驱动电流波形质量，延长电机寿命。

作为本发明实施例的一种可选的实施方式，根据边界方程计算得到邻近三矢量的作用时间，包括：根据边界方程计算得到邻近三虚拟矢量的作用时间；根据邻近三虚拟矢量的作用时间确定邻近三基本矢量的作用时间。

具体地，在确定各个扇区内小三角形区域的邻近三虚拟矢量的构成时，可以将i、ii、iii、iv、v和vi扇区用m统一表示。各虚拟矢量虽然在各扇区内表达式并不相同，但是各扇区内各虚拟矢量的几何关系是相同的。而邻近矢量时间计算的主要依据是三者与参考矢量的几何关系。由于i、ii、iii、iv、v和vi扇区信息以变量n的形式包含于旋转60度坐标系中，虚拟矢量作用时间的计算则不必考虑扇区信息。而在子区域内分解表达式相同，实现了邻近三虚拟矢量作用时间的归一化处理，简化矢量作用时间的计算过程。为方便理解，扇区统一表示为n，如图3所示，当参考电压矢量vref落在n－4区域时，子区域邻近三虚拟矢量作用时间计算过程如下，其中，n－4区域矢量分解方程可以公式5表示，

其中，ts表示参考电压矢量的作用时间

根据公式(5)可以计算得到n4区域邻近三虚拟矢量的作用时间，可以用公式(6)表示，

同时，根据伏秒平衡原理可以得到当参考电压矢量落到其他小三角形区域时的邻近三虚拟矢量分解方程，并计算得到各区域内邻近三虚拟矢量的作用时间，如表1所示，为旋转60度坐标系内各区域邻近三虚拟矢量作用时间。

表1

根据传统的三电平空间矢量脉宽调制(svpwm)算法可知，三电平逆变器的开关状态对应着19个空间矢量，这些矢量被称为三电平逆变器的基本空间矢量，同时，根据基本矢量幅值的不同，如表2所示，可以将这些基本矢量分为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量。

表2

同样，在该实施例中，如图3所示，也包含长矢量、中矢量、短矢量和零矢量。其中，和表示两个短矢量，和表示两个长矢量，和表示中矢量，表示零矢量。表1中n－1、n－2、n－3、n－4、n－5分别表示小三角形边界l1、l2及l3与五个不同的矢量组成的区域，例如，n－1区域表示两个短矢量和零矢量构成的区域，n－2区域表示两个短矢量和中矢量构成的区域，n－3区域表示短矢量长矢量和中矢量构成的区域，n－4区域表示两个长矢量和短矢量构成的区域，n－5区域表示短矢量长矢量和中矢量构成的区域。因此，当参考电压矢量落在不同区域时，可以根据伏秒平衡原理计算得到邻近三虚拟矢量作用时间ta、tb及tc。

当计算得到邻近三虚拟矢量作用时间后，可以根据不同应用场景设计基本矢量工作的序列，并根据虚拟矢量与基本矢量的关系计算各基本矢量的工作时间。当确定基本矢量的工作时间后，根据该作用时间确定pwm波的占空比及形态。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法，通过在旋转60坐标系中确定参考电压矢量的位置，并根据传统的三电平空间矢量脉宽调制算法，在旋转60度坐标系中确定多个基本虚拟矢量及由于i、ii、iii、iv、v和vi扇区信息以变量m的形式包含于旋转60度坐标系中，虚拟矢量作用时间的计算则不必考虑扇区信息。因此虚拟矢量在子区域内分解表达式相同，实现了邻近三虚拟矢量作用时间的归一化处理，简化矢量作用时间的计算过程。并且，通过计算得到的虚拟矢量的作用时间可以得到不同应用场景中基本矢量的作用时间，根据基本矢量的作用时间可以直接确定pwm波的占空比及形态，不需要通过中点电位平衡的控制算法确定pwm波，进一步简化了该空间电压矢量调制方法。

在一实施例中，以永磁电机三电平电压型逆变器为例，如图4所示，为t型中性点钳位型三电平逆变器拓扑结构；图5所示为t型钳位三电平变流器虚拟空间矢量图。本发明实施例提供的空间电压矢量调制方法可以实现对该逆变器的控制，当以开关次数最少原则设置基本工作的系列时，可以根据表1计算得到该应用场景下基本矢量的作用时间，如表3和表4所示。

表3

表4

表3表示参考电压矢量落在奇数扇区(m＝1，3，5)时基本矢量作用时间，表4表示参考电压矢量落在偶数扇区(m＝2，4，6)时基本矢量作用时间。

通过上述表3和表4可以得到九段式svpwm波形，如图6所示，根据该波形可以确定开关器件的导通或关断，从而实现的逆变器中开关器件的控制。

此外，还可以采用现有的软件如matlab等对上述永磁电机三电平电压型逆变器具体的空间电压矢量调制方法进行仿真，具体仿真结果如图7至图11所示。其中，图7是参考电压矢量在旋转60度坐标系gh轴分量仿真结果；8是a相占空比仿真波形；图9是线电压和相电流仿真波形；图10是阻感负载下占空比及a相pwm实验波形；图11是阻感负载下线电压和相电流实验波形。从图中可以看出，本发明实施例提供的空间电压矢量调制可以实现对逆变器中开关器件的调制。

实施例2

本发明实施例提供一种空间电压矢量调制装置，如图12所示，该调制装置包括：

第一坐标转换模块1，用于根据静止90度坐标系矢量关系计算得到静止60度坐标系矢量关系；详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述。

第二坐标转换模块2，用于根据静止60度坐标系矢量关系进行60度旋转，计算得到旋转60度坐标系矢量关系；详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述。

边界方程计算模块3，用于根据旋转60度坐标系矢量关系计算得到扇区内判断参考电压矢量位置的边界方程；详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述。

作用时间计算模块4，用于根据参考电压矢量的位置和伏秒平衡原理计算得到邻近三矢量的作用时间。详细内容参见上述方法实施例中步骤s104的相关描述。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制装置，通过参考电压矢量由静止90度坐标系转换到静止60度坐标系，再将得到的静止60度坐标系和参考电压矢量同步旋转，可以使得坐标系和参考电压矢量相对静止，因此采用旋转60度坐标系后，可以实现六个扇区内最近三矢量作用时间表达式统一，小三角形区域判断所涉及的边界方程统一，计算过程得以简化。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制装置，将6个扇区的子区域判断和基本矢量作用时间的表达式统一在一个扇区内，程序代码量可大幅缩减，可以将现有的三电平空间矢量调制算法简化，有利于降低数字控制系统的中断时间，提高电力电子器件的开关频率。进而提高高速电机的驱动电流波形质量，延长电机寿命。

本发明实施例提供的空间电压矢量调制装置的功能描述详细参见上述实施例中空间电压矢量调制方法描述。

本发明实施例还提供了一种空间电压矢量调制终端，如图5所示，该空间电压矢量调制终端可以包括处理器51和存储器52，其中处理器51和存储器52可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。

处理器51可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器51还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器52作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器51通过运行存储在存储器52中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的空间电压矢量调制方法。

存储器52可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器51所创建的数据等。此外，存储器52可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可选包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器51。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器52中，当被所述处理器51执行时，执行如图1所示实施例中的空间电压矢量调制方法。

上述空间电压矢量调制终端具体细节可以对应参阅图1所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read－onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid－statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。