一种改进的空间矢量调制方法
阅读说明：本技术 一种改进的空间矢量调制方法 (Improved space vector modulation method ) 是由 沈艺峰 高鹏 喻志刚 孙瑞 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电机控制领域,具体的讲是一种改进的空间矢量调制方法,通过获取电压信号、当前转子电角度、以及当前直流母线电压信号,计算出期望电压矢量的幅值和电压矢量的相位,根据调制比的过渡值以及过调制模式计算三相共同的调制比,通过查同一张表分别得到三相占空比的过渡值,最终经过计算得到最终的三相占空比,本发明通过查表即可得到三相占空比的过渡值,与现有技术相比计算量更小,更简单,而且拥有更高的自由度去添加例如角度位置补偿算法等附加算法,可以通过更改做成的表中的元素获取更好的过调制区域效果。(The invention relates to the field of motor control, in particular to an improved space vector modulation method, which comprises the steps of calculating the amplitude of an expected voltage vector and the phase of the voltage vector by obtaining a voltage signal, a current rotor electrical angle and a current direct current bus voltage signal, calculating a common modulation ratio of three phases according to the transition value of the modulation ratio and an overmodulation mode, respectively obtaining the transition value of three-phase duty ratios by looking up the same table, and finally obtaining the final three-phase duty ratio by calculation.)
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体的讲是一种改进的空间矢量调制方法。
背景技术
空间矢量调制（SVPWM）是通过对三相逆变器的六个开关按照特定的开关模式形成脉宽调制波。相比正弦脉宽调制，空间矢量调制可使得逆变器输出线电压的幅值提高约15%，因此，空间矢量调制在电机控制系统得到了广泛的应用。
传统的SVPWM基本原理是根据期望合成电压矢量，判断合成电压矢量所在扇区，利用所在扇区相邻基本空间矢量和零矢量在时间上的不同组合来生成期望电压矢量。此方法需要把两相旋转坐标系下的电压转换到两相静止坐标系下的电压，然后再判断扇区，计算基本空间电压矢量作用时间并生成三相占空比。
上述传统方法需要旋转逆变换矩阵（Park逆变换）计算，需要判断期望电压矢量所在扇区，并计算基本空间矢量作用时间，过调制模式单一，且计算量较大。
为此设计一种更简单的，计算量更小的空间矢量调制方法是十分有必要的。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种更简单的，计算量更小的空间矢量调制方法。
为了达到上述目的，本发明设计了一种改进的空间矢量调制方法，其特征在于：按照如下步骤进行调制：
步骤1：获取待调制的两相旋转坐标系下的电压信号Ud和Uq、当前转子电角度ElecAg、以及当前直流母线电压信号Udc；
步骤2：根据两相旋转坐标下的电压信号计算出期望电压矢量的幅值UsAmp和期望电压矢量的相位UsAg；
步骤3：根据调制比的过渡值XModulRatio以及选定的过调制模式计算U相，V相，W相共同的调制比VoltageRatio；
步骤4：以期望电压矢量的相位UsAg为U相调制角，记为ModulAgU，以UsAg为V相调制角，记为ModulAgV，以UsAg为W相调制角，记为ModulAgW，通过查同一张表分别得到三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW；
步骤5：根据得到的三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW和三相共同的调制比VoltageRatio计算得到最终的三相占空比。
步骤2中期望电压矢量的相位UsAg的计算方法具体如下：
（1）将两相旋转坐标系下的电压信号Ud和Uq通过四象限反正切计算出两相旋转坐标系的d轴与期望电压矢量的夹角Theta1，此角度的范围为[0,]，具体公式为：；
（2）根据公式，计算期望电压矢量的相位UsAg，其中转子电角度ElecAg的范围为[0,]，因此得到UsAg的范围为[0,]；
（3）由于三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW与期望电压矢量的相位UsAg是关于的周期性函数，因此最终期望电压矢量Us的相位UsAg的范围为[0,]。
步骤2中期望电压矢量的幅值UsAmp的计算方法具体如下：。
步骤3中过调制模式分为内切圆模式与六边形模式。
步骤3中的，调制比VoltageRatio则根据过调制模式进行选择。
步骤4中的三相调制角分别为U相调制角、V相调制角、W相调制角，其中，，，为圆周率。
步骤4中所述的查表方式具体方法为：三相的调制角、、的范围均为，每分为一个区域，共分成四个区域，根据公式
其中为三相的调制角、、 ，x为查表的维度，Index为查表的索引值，根据Index查表分别得到三相占空比的过渡值，当三相调制角在,范围内时，查表得到的三相占空比的过渡值需要取负。
步骤5中的三相占空比的具体计算方法如下：
U相占空比 = ；
V相占空比 =；
W相占空比 =。
本发明与现有技术相比，计算量更小，更简单，而且拥有更高的自由度去添加电机控制补偿算法，例如：对角度位置的补偿算法，通过更改做成的表中的元素获取更好的过调制区域效果等等。
附图说明
图 1为本发明的期望电压矢量Us和期望电压矢量角UsAg的示意图。
图2为本发明中提及的查表示意图。
图3为本发明涉及的永磁同步电机控制系统框图。
图4为本发明中实施例中的转子电角度ElecAg示意图。
图5为本发明实施例一中的非过调制状态内切圆模式三相占空比示意图。
图6为本发明实施例二中的过调制状态为内切圆模式三相占空比示意图。
图7为本发明中实施例二中的过调制状态为六边形模式三相占空比示意图。
具体实施方式
参见图1~3，结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及了一种改进的空间矢量调制方法，按照如下步骤进行调制：
步骤1：参见图1，获取待调制的两相旋转坐标系下的电压信号Ud和Uq、当前转子电角度ElecAg、以及当前直流母线电压信号Udc；
步骤2：根据两相旋转坐标下的电压信号计算出期望电压矢量Us的幅值UsAmp和期望电压矢量的相位UsAg；
步骤3：根据调制比的过渡值XModulRatio以及选定的过调制模式计算U相，V相，W相共同的调制比VoltageRatio；
步骤4： 以期望电压矢量的相位UsAg为U相调制角，以UsAg为V相调制角，以UsAg为W相调制角，通过查同一张表分别得到三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW；
步骤5：根据得到的三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW和三相共同的调制比VoltageRatio计算得到最终的三相占空比。
本发明中步骤2中期望电压矢量的相位UsAg的计算方法具体如下：
（1）将两相旋转坐标系下的电压信号Ud和Uq通过四象限反正切计算出两相旋转坐标系的d轴与期望电压矢量的夹角Theta1，此角度的范围为[0,]，具体公式为：；
（2）根据公式，计算期望电压矢量的相位UsAg，其中转子电角度ElecAg的范围为[0,]，因此得到UsAg的范围为[0,]；
（3）由于三相占空比的过渡值XpwmU，XpwmV，XpwmW与期望电压矢量的相位UsAg是关于的周期性函数，因此最终期望电压矢量Us的相位UsAg的范围为[0,]。
本发明中步骤2中期望电压矢量的幅值UsAmp的计算方法具体如下：。
本发明中步骤3中过调制模式分为内切圆模式与六边形模式，
（1）若调制模式选择为内切圆模式，则调制比VoltageRatio的上限限制值为；
（2）若调制模式选择为六边形模式，则调制比VoltageRatio的上限限制值会根据期望电压矢量的相位UsAg动态地在与范围中移动，代表期望电压矢量被限制在内切圆与六边形相切的地方，代表期望电压矢量被限制在六边形六个顶点处，随着期望电压矢量Us的相位UsAg的变化，调制比VoltageRatio的上限限制值为 ，其中
Theta =
其中：
Ud: 两相旋转坐标系下d轴电压；
Uq: 两相旋转坐标系下q轴电压；
ElecAg: 电机转子电角度。
调制模式的选择可根据客户要求选择，当客户需求较小的谐波电流，较小的扭矩脉动时选择内切圆模式，当客户需求较高的电压使用率时选择六边形模式。
同时也可以通过改变调制比上限值灵活地选择过调整模式，例如将限幅模块的上限值设为0.4，此上限值需要在范围内。
本发明中步骤3中的。
本发明中步骤4中的三相调制角分别为U相调制角、V相调制角、W相调制角，其中，，，π为圆周率。
本发明中查表方式中的表格数据可通过以下公式获得，以1024等分为例：
将范围为0~的角度平均分成1024等分，为圆周率，theta_i 为第i等分角度，i = 1,2,3,…,1022,1023,1024。将theta_i， theta_i -, theta_i + 分别取余弦值得到CosVal_1，CosVal_2，CosVal_3。
具体公式为：CosVal_1 = cos(theta_i)；CosVal_2 = cos(theta_i - )；CosVal_3 = cos(theta_i + )。
ValMax，ValMin分别为CosVal_1，CosVal_2，CosVal_3在取相同theta_i的情况下的最大值和最小值，查表数据TableVal计算公式为：
TableVal = CosVal_1 – 0.5 * (ValMax + ValMin)，通过以上方法即可得到图2所示的查表曲线。
然后根据本发明中步骤4中所述的查表方式进行占空比的过渡值的查表确认，具体方法为：以U相为例，U相调制角的范围为，每分为一个区域，共分成四个区域，根据公式
其中x为查表的维度，为U相调制角，Index为查表的索引值，根据Index查表得到U相占空比的过渡值XpwmU，当U相调制角在,范围内时，查表得到的U相占空比的过渡值XpwmU需要取负。
同理，V相调制角，W相调制角的范围都为，根据上述方法可分别得到V相，W相占空比的过渡值XpwmV，XpwmW。
然后根据选择的过调制模式、查表所得的占空比过渡值，进行本发明中步骤5中的三相占空比的计算，具体计算方法如下：
U相占空比 = ；
V相占空比 =；
W相占空比 =。
下面为本发明的两个仿真实施例。
实例一：
d轴电压Ud = -2V ，q轴电压Uq = 3V，直流母线电压Udc= 12V，此时未进入过调制状态，转子电角度ElecAg如图4所示，范围为[0,2]弧度，仿真步长为1us，运行仿真，输出的三相占空比Ta，Tb，Tc如图5所示。
实例二：
d轴电压Ud = -10V ，q轴电压Uq = 20V，直流母线电压Udc= 12V，此时进入过调制状态，转子电角度ElecAg，如图4所示，范围为[0,2] 弧度。
1)过调制模式选择内切圆模式，仿真步长为1us，运行仿真，输出的三相占空比Ta，Tb，Tc如图6所示。
2)过调制模式选择六边形模式，仿真步长为1us，运行仿真，输出的三相占空比Ta，Tb，Tc如图7所示。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：电机控制系统及其控制方法