阅读说明：本技术 一种空间矢量脉宽调制方法、装置以及系统 (Space vector pulse width modulation method, device and system ) 是由 李明峰 李沁遥 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明适用于交流交频控制技术领域,提供了一种空间矢量脉宽调制方法、装置以及系统,所述方法包括：确定磁链圆的多个划分区间；确定各个划分区间对应的两个合成磁链矢量；确定与所述划分区间对应的零矢量,所述零矢量至少有一个桥臂的开关状态与所述两个磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同；确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。本发明实施例提供的空间矢量脉宽调制方法,通过选择至少有一个桥臂的开关状态与所述两个合成磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同的零矢量,使得在每一个划分区间内,都有一个桥臂的开关状态能够始终保持不变,相比于现有的空间矢量脉宽调制方法,开关的损耗理论上能够降低1/3。(The invention is suitable for the technical field of alternating current and Alternating Current (AC) frequency control, and provides a space vector pulse width modulation method, a device and a system, wherein the method comprises the following steps: determining a plurality of division areas of a flux linkage circle; determining two synthetic flux linkage vectors corresponding to each divided region; determining a zero vector corresponding to the divided regions, wherein the switching state of at least one bridge arm of the zero vector is always the same as the switching state of the corresponding bridge arm of the two flux linkage vectors; determining an action period of two resultant flux linkage vectors and a zero vector corresponding to the divided regions. According to the space vector pulse width modulation method provided by the embodiment of the invention, the switching state of at least one bridge arm and the switching state of the corresponding bridge arm of the two synthetic flux linkage vectors are always the same zero vector, so that the switching state of one bridge arm can be always kept unchanged in each partition interval, and compared with the existing space vector pulse width modulation method, the loss of a switch can be reduced by 1/3 theoretically.)

一种空间矢量脉宽调制方法、装置以及系统

技术领域

本发明属于交流交频控制技术领域，尤其涉及一种空间矢量脉宽调制方法、装置以及系统。

背景技术

两电平三相逆变器可实现将直流电转化为频率与幅值可变的交流电，得到了广泛的应用。例如，在电动汽车的驱动系统中，逆变器负责将电池输出的直流电转化为三相交流电，进而驱动三相永磁同步电动机。而在两电平三相逆变器中普遍采用的是空间矢量脉宽调制技术。

现有的空间矢量脉宽调制技术通常都是采用7段码对称空间矢量分配算法。在这种算法中，由于每个开关周期均对称的需要用到两个零矢量，因此对称性较好，容易利用软件控制实现。然而，这种算法开关动作频繁，不利于开关损耗。

可见，现有的空间矢量脉宽调制方法还存在着开关动作频繁，导致开关损耗严重的技术问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种空间矢量脉宽调制方法，旨在解决现有的空间矢量脉宽调制方法还存在的开关动作频繁，导致开关损耗严重的技术问题。

本发明实施例是这样实现的，一种空间矢量脉宽调制方法，应用于以逆变器驱动三相电机的控制系统中，包括：

确定与所述控制系统对应的磁链圆的多个划分区间；

确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量；所述合成磁链矢量对应三个桥臂的开关状态；

根据所述两个合成磁链矢量确定与所述划分区间对应的零矢量；所述零矢量至少有一个桥臂的开关状态与所述两个磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同；

确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。

本发明实施例的另一目的在于提供一种空间矢量脉宽调制装置，包括：

划分区间确定单元，用于确定与所述控制系统对应的磁链圆的多个划分区间；

合成磁链矢确定单元，用于确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量；所述合成磁链矢量对应三个桥臂的开关状态；

零矢量确定单元，用于根据所述两个合成磁链矢量确定与所述划分区间对应的零矢量；所述零矢量至少有一个桥臂的开关状态与所述两个磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同；

作用时段确定单元，用于确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。

本发明实施例的另一目的在于提供一种空间矢量脉宽调制系统，包括以逆变器驱动三相电机的控制系统以及复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件采用如上述所述的空间矢量脉宽调制方法控制所述逆变器驱动所述三相电机。

本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制方法，在确定与所述控制系统对应的磁链圆的每个划分区间所使用的两个合成磁链矢量后，通过选择至少有一个桥臂的开关状态与所述两个合成磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同的零矢量，使得在每一个划分区间内，都有一个桥臂的开关状态能够始终保持不变，也就是说，在一个完整的周期内，每一个开关都有1/3的时间保持不变，相比于现有的空间矢量脉宽调制方法，开关的损耗理论上能够降低1/3，即提出的一种能够降低开关损耗的空间矢量脉宽调制方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的以逆变器驱动三相电机的控制电路图；

图2为本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的一种确定矢量作用时段的步骤流程图；

图4为本发明实施例提供的一种确定矢量作用时长的步骤流程图；

图5(a)为7段码对称空间矢量脉宽调制方法中各区间的矢量分配示意图；

图5(b)为本发明实施例提供的空间矢量脉宽调制方法中各区间的矢量分配示意图；

图6(a)为7段码对称空间矢量脉宽调制方法的桥臂开关状态实验波形图；

图6(b)为本发明实施例提供的空间矢量脉宽调制方法的桥臂开关状态实验波形图

图7为本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先，对背景技术中提到的空间矢量脉宽调制方法进行简单的说明，空间矢量脉宽调制方法主要运用在以逆变器驱动三相电机的控制系统中，如图1所示，提供了一种以逆变器驱动三相电机的控制电路图。

如图1所示，电路中包含了6个开关器件V₁～V₆，一共可以形成8种开关模式，其中，6种开关模式产生输出电压，在三相电动机中可以形成相应的6个合成磁链矢量，而2种开关模式不输出电压矢量，不使磁链矢量产生增量，称为零矢量。具体的，当电动机某一相的上桥臂开关器件导通时记为1，下桥臂开关器件导通时记为0。例如当V₂、V₃、V₄导通时，表示U相和W相的下桥臂开关器件导通，V相的上桥臂开关器件导通，记为合成磁链矢量ΔΨ(010)，合成磁链矢量括号中的数字，第1位表示U相，第2位表示V相，第3位表示W相。当V₃、V₄、V₅导通时形成矢量ΔΨ(011)，依次类推。而当V₁、V₃、V₅导通或V₂、V₄、V₆导通时，电动机的三个端子同时接到直流电源的正端或同时接到直流电源的负端，都不会形成磁链矢量，故称V₁、V₃、V₅导通时形成零矢量ΔΨ(111)，V₂、V₄、V₆导通时形成零矢量ΔΨ(000)。由于三相对称正弦波电压驱动三相对称电动机转化至d-p坐标轴下为圆形轨迹，也就是说，在以逆变器驱动三相电机的控制系统中，对开关的模式进行切换，相当于对对应的磁链矢量进行积分合成，如果合成的磁链矢量能够很好地追踪圆形轨迹，则表明此时以逆变器驱动三相电机的控制系统中所输出的三相电压也一定是三相对称的正弦波。此部分内容属于空间矢量脉宽调制的公知常识，在此不再赘述说明，本领域技术人员看到本段内容应当了解本发明所指的以逆变器驱动三相电机的控制系统以及空间矢量脉宽调制方法的思想的具体内容。

如图2所示，为本发明实施例提供的空间矢量脉宽调制方法的步骤流程图，具体包括以下步骤：

步骤S202，确定与所述控制系统对应的磁链圆的多个划分区间。

在本发明实施例中，通过将磁链圆划分为多个划分区间，并针对于每个划分区间都找到能够逼近该划分区间的弦的矢量合成，从而使得整体上逼近于磁链圆，从而实现了空间矢量脉宽调制。

作为本发明的一个优选实施例，所述划分区间的个数为6的倍数，能够形成一个完整圆周周期。

步骤S204，确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量。

在本发明实施例中，对于每一个划分区间都可以利用两个其平均进行方向与该区间的弦相一致的磁链矢量来合成，如果两个磁链矢量的作用时间不等于该划分区间的周期，则表明输出的三相波的频率不等于所要求输出的三相波的频率，而为了进一步使两个磁链矢量的作用时间刚好等于该划分区间的周期，需要进一步利用零矢量进行填充来控制作用时间。

步骤S206，根据所述两个合成磁链矢量确定与所述划分区间对应的零矢量。

在本发明实施例中，在每个划分区间内仅仅选择一个零矢量进行填充来控制作用时间，同时要求零矢量至少有一个桥臂的开关状态与所述两个磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同。例如，对于0～60°的划分区间，当选择ΔΨ(100)和ΔΨ(101)作为合成磁链矢量时，此时可以选择ΔΨ(111)作为零矢量，此时由于ΔΨ(100)、ΔΨ(101)和ΔΨ(111)的第一位数字均为1，即U相处于上桥臂导通状态，也就是说无论ΔΨ(100)、ΔΨ(101)和ΔΨ(111)按照何种的作用时长以及顺序进行合成，U相始终处于上桥臂导通状态，也就是在0～60°的划分区间内，U相对应的桥臂始终不动，降低了U相桥臂的开关损耗，相比于现有的7段码对称空间矢量脉宽调制方法为便于软件实现，在每个划分区间内对称利用到两个零向量AΨ(111)和ΔΨ(000)，也就是当ΔΨ(000)转变为ΔΨ(100)时，U相桥臂需要从下桥臂导通状态切换至上桥臂导通状态，可见，本发明提供的空间矢量脉宽调制方法在理论上能够降低各相桥臂开关损耗1/3。

步骤S208，确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。

在本发明实施例中，为了输出满足要求的三相正弦波，需要使得各个区间的矢量合成刚好对应于该三相正弦波所对应的磁链圆在各区间上的弦相，即需要根据输出要求进一步对各个划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段进行设计，以保证输出的三相正弦波的输出电压以及频率满足要求。

在本发明实施例中，确定两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段的具体步骤请参阅图3及其解释说明。

本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制方法，在确定与所述控制系统对应的磁链圆的每个划分区间所使用的两个合成磁链矢量后，通过选择至少有一个桥臂的开关状态与所述两个合成磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同的零矢量，使得在每一个划分区间内，都有一个桥臂的开关状态能够始终保持不变，也就是说，在一个完整的周期内，每一个开关都有1/3的时间保持不变，相比于现有的空间矢量脉宽调制方法，开关的损耗理论上能够降低1/3，即提出的一种能够降低开关损耗的空间矢量脉宽调制方法。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种确定矢量作用时段的步骤流程图，具体包括以下步骤：

步骤S302，确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时长。

在本发明实施例中，当合成磁链矢量作用时间越长，零矢量作用时长越短时，最终的输出的三相电压的有效值越大，因此，需要根据要求输出的三相电压的有效值决定合成磁链矢量的作用时长，而两个合成磁链矢量的作用时长的比例决定了合成电压空间矢量的角度，需要根据当前划分区间的弦相角度确定两个合成磁链矢量的作用时长的比例，具体确定矢量作用时长的步骤请参阅图4及其解释说明。

步骤S304，确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用顺序。

在本发明实施例中，在保证某桥臂开关不动的同时，以每次切换矢量只改变一个桥臂开关状态的顺序确定两个合成磁链矢量以及零矢量的作用顺序，例如，当使用ΔΨ(100)、ΔΨ(101)ΔΨ(101)作为合成磁链矢量、ΔΨ(111)作为零矢量，则矢量的作用顺序依次为ΔΨ(100)、ΔΨ(101)、ΔΨ(111)、ΔΨ(101)、ΔΨ(100)循环，可以看出，每次切换矢量，都仅仅只有一个桥臂的开关状态改变，且第一个桥臂也就是U相对应的桥臂始终不发生改变。

步骤S306，根据与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时长以及作用顺序确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。

在本发明实施例中，当各磁链矢量的作用时长以及作用顺序确定后，各个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段也可以相应确定下来，也就是各种桥臂开关状态保持的时段也相应的确定，通过制定程序控制各种桥臂开关状态保持的时段，就能够实现所要求的的三相电输出。

如图4所示，为本发明实施例提供的一种确定矢量作用时长的步骤流程图，详述如下。

步骤S402，根据调幅比以及要求输出电压分别确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量的作用时间。

步骤S404，根据载波频率以及所述两个合成磁链矢量的作用时间确定与所述划分区间对应的零矢量的作用时间。

在本发明实施例中，T为载波频率，M为调幅比(M的最大值为0.866)，U为要求输出电压，则Ta(主矢量)、Tb(附矢量)两个合成磁链矢量的作用时间以及To零矢量的作用时间的计算公式为：

Ta＝M×U×sinα×T/0.866

Tb＝M×U×sin(60-α)×T/0.866

To＝T-Ta-Tb

为了进一步证明本发明提供的空间矢量脉宽调制方法相对于常规7段码对称空间矢量脉宽调制方法的各区间矢量分配的区别，如图5(a)和5(b)所示，分别为7段码对称空间矢量脉宽调制方法中各区间的矢量分配示意图和本发明提供的空间矢量脉宽调制方法中各区间的矢量分配示意图。

如图5(a)和5(b)所示，在7段码对称空间矢量脉宽调制方法中和本发明公开的空间矢量脉宽调制方法中，各个区间所使用的合成磁链矢量均相同，其中A、B、C分别表示U、V、W三相，处于高位则表明对应相为1，处于低位则表明对于对应相为0。例如在1区间，7段码对称空间矢量脉宽调制方法所使用的合成磁链矢量为ΔΨ(100)和ΔΨ(101)，所用到的零矢量为ΔΨ(000)和ΔΨ(111)，本发明公开的空间矢量脉宽调制方法所使用的合成磁链矢量也为ΔΨ(100)和ΔΨ(101)，但所使用的零矢量仅仅只有ΔΨ(111)。具体的，其中在图5(a)的1区中，最初始A，B，C均处于低位，表明对应相均为0，即此时对应矢量为ΔΨ(000)，在短暂时间后，A提升至高位，此时A对应的U相调整为1，此时对应矢量为ΔΨ(100)，再在短暂时间后，C也提升至高位，此时C对应的W相调整为1，此时对应矢量为ΔΨ(101)，依次类推，7段码中矢量变化过程依次为ΔΨ(000)、ΔΨ(100)、ΔΨ(101)、ΔΨ(11D、ΔΨ(101)、ΔΨ(100)、ΔΨ(000)，即一个区间需要用到合成矢量ΔΨ(100)和ΔΨ(101)以及零矢量ΔΨ(000)和ΔΨ(111)，且三个桥臂A、B、C均有相位的切换，即高低相位的切换。而在图5(b)的1区中，仅仅用到了合成矢量ΔΨ(100)和ΔΨ(101)以及零矢量ΔΨ(111)，且A始终处于高位状态下，没有相位高低的切换，即在本发明公开的技术方案中，在1区间内，A桥臂，即U相对应的桥臂，不发生相位高低的切换，即不发生损耗。

为了进一步证明本发明提供的空间矢量脉宽调制方法相对于常规7段码对称空间矢量脉宽调制方法的各区间矢量分配的优势，如图6(a)和6(b)所示，分别为常规7段码对称空间矢量脉宽调制方法以及本发明提供的空间矢量脉宽调制方法的桥臂开关状态实验波形图。

结合桥臂开关状态实验波形图可以看出，本发明所提供的空间矢量脉宽调制方法中，每个桥臂大约有1/3的空闲时间保证不动状态，相较于常规的7段码对称空间矢量脉宽调制方法，降低了桥臂的开关频率，降低了开关损耗。

如图7所示，本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制装置的结构示意图，详述如下。

在本发明实施例中，所述空间矢量脉宽调制装置包括：

划分区间确定单元710，用于确定与所述控制系统对应的磁链圆的多个划分区间。

在本发明实施例中，通过将磁链圆划分为多个划分区间，并针对于每个划分区间都找到能够逼近该划分区间的弦的矢量合成，从而使得整体上逼近于磁链圆，从而实现了空间矢量脉宽调制。

作为本发明的一个优选实施例，所述划分区间的个数为6的倍数，能够形成一个完整圆周周期。

合成磁链矢确定单元720，用于确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量。

在本发明实施例中，对于每一个划分区间都可以利用两个其平均进行方向与该区间的弦相一致的磁链矢量来合成，如果两个磁链矢量的作用时间不等于该划分区间的周期，则表明输出的三相波的频率不等于所要求输出的三相波的频率，而为了进一步使两个磁链矢量的作用时间刚好等于该划分区间的周期，需要进一步利用零矢量进行填充来控制作用时间。

零矢量确定单元730，用于根据所述两个合成磁链矢量确定与所述划分区间对应的零矢量。

在本发明实施例中，在每个划分区间内仅仅选择一个零矢量进行填充来控制作用时间，同时要求零矢量至少有一个桥臂的开关状态与所述两个磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同。例如，对于0～60°的划分区间，当选择ΔΨ(100)和ΔΨ(101)作为合成磁链矢量时，此时可以选择ΔΨ(111)作为零矢量，此时由于ΔΨ(100)、ΔΨ(101)和ΔΨ(111)的第一位数字均为1，即U相处于上桥臂导通状态，也就是说无论ΔΨ(100)、ΔΨ(101)和ΔΨ(111)按照何种的作用时长以及顺序进行合成，U相始终处于上桥臂导通状态，也就是在0～60°的划分区间内，U相对应的桥臂始终不动，降低了U相桥臂的开关损耗，相比于现有的7段码对称空间矢量脉宽调制方法为便于软件实现，在每个划分区间内对称利用到两个零向量ΔΨ(111)和ΔΨ(000)，也就是当ΔΨ(000)转变为ΔΨ(100)时，U相桥臂需要从下桥臂导通状态切换至上桥臂导通状态，可见，本发明提供的空间矢量脉宽调制方法在理论上能够降低各相桥臂开关损耗1/3。

作用时段确定单元740，用于确定与所述划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段。

在本发明实施例中，为了输出满足要求的三相正弦波，需要使得各个区间的矢量合成刚好对应于该三相正弦波所对应的磁链圆在各区间上的弦相，即需要根据输出要求进一步对各个划分区间对应的两个合成磁链矢量以及零矢量的作用时段进行设计，以保证输出的三相正弦波的输出电压以及频率满足要求。

本发明实施例提供的一种空间矢量脉宽调制装置，在确定与所述控制系统对应的磁链圆的每个划分区间所使用的两个合成磁链矢量后，通过选择至少有一个桥臂的开关状态与所述两个合成磁链矢量的对应桥臂的开关状态始终相同的零矢量，使得在每一个划分区间内，都有一个桥臂的开关状态能够始终保持不变，也就是说，在一个完整的周期内，每一个开关都有1/3的时间保持不变，相比于现有的空间矢量脉宽调制方法，开关的损耗理论上能够降低1/3，即提出的一种能够降低开关损耗的空间矢量脉宽调制方法。

本发明实施例还提供一种空间矢量脉宽调制系统，包括以逆变器驱动三相电机的控制系统以及复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件采用如图2所述的空间矢量脉宽调制方法控制所述逆变器驱动所述三相电机。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。