专利名称：脉宽调制电力变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用脉宽调制(PWM)方法、用开关元件构成的、通过控制该开关元件的导通时间与截止时间而获得期望输出电压的PWM电力变换装置。具体而言，本发明涉及含有由数字硬件构成的PWM信号产生部分并能在产生低输出电压时，减少该输出电压中的脉动或误差的PWM电力变换装置。
在电力变换装置中，PWM方法已被广泛用作获取期望输出电压的控制方法，PWM方法是使开关元件以和电压指令成比例的导通时间间隔或导通持续时间进行导通的方法，在已有技术中熟知该方法有载波比较法或空间矢量法。载波比较法可用于以脉宽调制控制一般电力变换装置，该方法中，通过比较载波信号与电压指令值来得到期望的脉冲宽度。空间矢量法可用于由逆变器之类的电力变换装置产生多相交流电，该方法中，根据表示电压或磁通的空间矢量确定每单位时间的开关元件导通持续时间。
本领域熟知的载波比较法在例如I.E.E.J1987年2月28日出版的“电力工程手册”727～728页的“5.2.3 PWM控制”一节中有所叙述。本领域熟知的空间矢量法在综合电子出版社1991年8月10日出版的“AC伺服系统的理论和设计”的47-53页中有所叙述。这里将不再细述这些方法。
随着新近数字技术的发展，数字硬件已被日益广泛使用于PWM部分以节省成本。在例如载波比较型的数字硬件中，电压指令信号和载波信号的瞬时值处理成离散值，在以模拟形式显示时，载波波形和电压指令波形经D/A(数-模)变换，提供阶梯波形。该阶梯波形中，以输出电压来表示时，一级的级差(值)称为“PWM分辨率”。
图6表示分辨率为dn时，一个载波信号周期中的输出电压Vout波形，其中，输出电压Vout以dn的级差变化。随着级差dn减小，获得离散值时产生的量化误差也减小。
例如通过改变用可逆计数器计数的CPU时钟脉冲数，可获得具有期望载波频率的载波信号。当载波频率要变高时，计数减少，从而PWM分辨率降低，结果量化误差增加。若级差dn足够小且输出电压足够大，则产生的量化误差可忽略不计。在产生低的输出电压时，尤其在电动机低速旋转期间，输出电压中的电压误差增大，从而引起转矩波动或不均匀旋转。
图7表示减少输出电压误差的已有技术。
为了减少输出电压误差，输出电压检测装置12检测输出电压并把检测的电压与输出电压的指令值馈送至电压调节器(AVR)11，修正产生PWM脉冲的指令值，由此，提供期望的输出电压。这里，PWM方法是采用载波产生装置5和比较器6的载波比较型。
为了减少量化误差，如图7所示采用反馈控制，从而由于提供包括电压检测装置的传感部分而增大成本。具体而言，该电压检测装置需要与主电路绝缘，从而要有昂贵的隔离放大器，使成本显著增大。在该方法中，通过增大CPU时钟频率减小分辨率dn，因而还需要昂贵的CPU。
因而，本发明的目的是提供一种PWM变换器，不利用电压反馈控制而工作在开环控制下，以便即使输出电压相对低时，也能以低成本提供期望的电压。
为了完成上述目的，本发明提供一种PWM电力变换装置，其中，高频信号叠加至第1指令信号，以产生第2指令信号，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置根据所述第2指令信号产生PWM脉冲。
根据本发明的第2方面，提供一种PWM电力变换装置，其中，高频信号叠加在第1载波信号上以产生第2载波信号，所述高频信号具有比指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述指令信号和所述第2载波信号产生PWM脉冲。
根据本发明第3方面，提供一种PWM多相电力变换装置，其中，高频信号叠加在所述电力变换装置各相对应的第1指令信号上以产生第2指令信号，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述第2指令信号和载波信号产生PWM脉冲。
根据本发明第4方面，提供一种PWM多相电力变换装置，其中，具有比指令信号高的频率的高频信号叠加在第1载波信号上以产生第2载波信号；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述各相对应的指令信号和所述第2载波信号产生所述电力变换装置各相的PWM脉冲。
根据本发明第5方面，提供一种多相PWM电力变换装置，其中，高频信号叠加在各相的第1指令信号上作为其零相次分量，从而产生第2指令信号，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述各相对应的所述第2指令信号和载波信号产生各相的PWM脉冲。
在上述构成的PWM电力变换装置中，叠加的高频信号最好其周期是载波信号周期的倍数。而且，叠加的高频信号最好是三角波(chopping wave)形式。再者，叠加的高频信号最好其幅度不小于指令信号或载波信号分辨率的一半。
本发明将参照较佳实施例和附图作详细叙述。
图1是根据本发明第1实施例的PWM电力变换装置的框图。
图2是图1的电力变换装置工作原理的说明图。
图3是本发明第2实施例的框图。
图4是本发明第3实施例的框图。
图5(a)和图5(b)是电压矢量轨迹相互比较示图。
图6(a)和图6(b)是已知的电力变换装置产生的输出电压波形例子的说明图。
图7是电力变换装置已有技术例子的框图。
下文，参照附图叙述本发明的实施例。
图1是根据本发明第1实施例构成的PWM电力变换装置的框图。
本实施例的电力变换装置由加法器1、PWM脉冲产生装置2、高频信号产生装置3及其它部件构成。加法器1把从高频信号产生装置3接收的高频信号与电压指令信号相加，PWM脉冲产生装置2根据已与高频信号相加的电压指令信号产生PWM脉冲。PWM脉冲产生装置2可是载波比较型或空间矢量型。
图2是图1的电力变换装置工作原理的说明图。
在如上所述已有技术的电力变换装置中，当指令信号V*在图6(a)所示的各间隔(分辨率)dn-1、dn、dn+1内时，PWM产生装置的输出电压Vout不变，即保持固定电平。与此相反，在本实施例中，高频信号叠加在电压指令信号V*上，使该指令信号V*，如图2(a)所示，每个间隔dn-1、dn、dn+1变化四次。这样，指令信号的变化数增加，平均电压指令的分辨率增大四倍，由此，减少输出电压的量化误差。图2(b)表示输出电压波形Vout。
如图2(a)所示，叠加于电压指令信号V*的高频信号，如从另一观点看，可认为是载波比较型脉宽调制中的载波信号。载波比较型的载波信号，例如可是锯齿波、正弦波或三角波，从波形分析可知，若使用三角波，则输出电压中较少可能产生高次谐波。在图2的例子中，也使用三角波作为叠加至电压信号的高频信号，使因叠加的高频信号而产生的高次谐波可减至最小。
若希望高频信号在每个间隔dn-1、dn、dn+1中作脉宽调制，则高频信号的峰-峰值确定为等于或大于载波或指令信号的分辨率，换言之，高频信号的幅值确定为等于或大于载波或指令信号分辨率的一半。在这种情况下，平均每个高频信号周期可得到一次期望输出电压。
进而，选择叠加的高频信号周期是载波信号周期的倍数，使因叠加的高频信号而产生的高频电压可抑制原本会在输出电压中产生的差拍。
图3是本发明第2实施例的框图。
本实施例的PWM电力变换装置包括加法器1、高频信号产生装置3、载波产生装置5、比较器6和其它部件。加法器1分别接收高频信号产生装置3的输出和载波产生装置5的输出。
在本实施例中，PWM脉冲产生装置是载波比较型，且高频信号叠加在载波上，以便增大电压指令的平均分辨率。
图4是本发明第3实施例的框图。
本实施例构成三相逆变器的形式，它包括各相(U相、V相、W相)的加法器1a、1b、1c，高频信号产生装置3a、3b、3c，比较器6a、6b、6c和产生比较器6a、6b、6c的公共载波信号的载波产生装置5。在本实施例中，PWM脉冲产生装置是载波比较型，高频信号叠加在各相电压指令信号上，以增大指令信号V*的变化次数，由此增大电压指令的平均分辨率。
在上述操作中，高频信号可以叠加作为各相指令信号的零相次分量，以便减小因叠加的高频信号而产生的输出信号的误差。在由电力变换器驱动电动机时，可减少电动机的转矩波动。也可以把高频信号加至载波信号。在图4中，标号7表示停滞时间产生装置，用于防止各相上臂和下臂的开关元件同时导通而导致短路状态。停滞时间产生装置不直接涉及本发明，因而不详细叙述。
图5(a)表示输出电压是2％(额定电压是100％)且高频信号不叠加在电压指令信号上时的电压矢量轨迹，图5(b)表示输出电压是2％且高频电压叠加在电压信号时的电压矢量轨迹。在不叠加高频信号的图5(a)的情况下产生畸变，在图5(b)的情况下，叠加高频信号，得到实质上没有畸变的圆形轨迹。
根据本发明，即使PWM产生装置具有低劣的分辨率，也可不需反馈传感器检测的表示输出电压的信号，以较低的成本改进电压指令信号的分辨率，从而使电力产生装置可提供期望的输出电压。当电力变换装置用于以低速旋转电动机时，该电动机可以较低的成本平滑驱动，而不会遭受不均匀转动。
权利要求
1.一种PWM电力变换装置，其特征在于，它包括把高频信号叠加至第1指令信号，以产生第2指令信号的装置，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置根据所述第2指令信号产生PWM脉冲。
2.一种PWM电力变换装置，其特征在于，它包括把高频信号叠加在第1载波信号上以产生第2载波信号的装置，所述高频信号具有比指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述指令信号和所述第2载波信号产生PWM脉冲。
3.一种PWM多相电力变换装置，其特征在于，它包括把高频信号叠加在所述电力变换装置各相对应的第1指令信号上以产生第2指令信号的装置，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述第2指令信号和载波信号产生PWM脉冲。
4.一种PWM多相电力变换装置，其特征在于，它包括把其频率比指令信号频率高的高频信号叠加在第1载波信号上以产生第2载波信号的装置；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述各相对应的指令信号和所述第2载波信号产生所述电力变换装置各相的PWM脉冲。
5.一种多相PWM电力变换装置，其特征在于，它包括把高频信号叠加在各相的第1指令信号上作为其零相次分量，从而产生第2指令信号的装置，所述高频信号具有比所述第1指令信号高的频率；作为硬件提供的脉宽调制装置用于数字式地进行脉宽调制以产生期望输出电压，所述脉宽调制装置通过比较所述各相对应的所述第2指令信号和载波信号产生各相的PWM脉冲。
6.如权利要求2至5中任一所述的PWM电力变换装置，其特征在于，所述高频信号的周期是所述载波信号周期的倍数。
7.如权利要求2至5中任一所述的PWM电力变换装置，其特征在于，所述高频信号包括三角波。
8.如权利要求2至5中任一所述的PWM电力变换装置，其特征在于，所述高频信号的幅度不小于所述指令信号或载波信号分辨率的一半。
全文摘要
本发明揭示一种PWM电力变换装置,它包括:把来自高频信号产生装置的高频信号与电压指令信号相加的加法器和根据加法器的输出产生PWM信号的载波比较型或空间矢量型的PWM产生装置,PWM信号用于驱动开关元件以提供期望的输出电压。
文档编号H02M1/08GK1250242SQ99121079
公开日2000年4月12日 申请日期1999年10月7日 优先权日1998年10月1日
发明者伊东淳一, 石井新一, 海田英俊 申请人:富士电机株式会社