CN101272104B - 一种空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

一种空间矢量调制方法，其特征在于，根据逆变器的直流输入电压和A、B、C三相参考电压U_an、U_bn、U_cn计算扇区号s、修正量z和数字信号处理芯片DSP中比较寄存器v1、v2、v3的数值，由数字信号处理芯片DSP产生相应的六路控制信号P1～P6，经隔离驱动电路后分别对应P1’～P6’，分别控制开关管K1～K6。本发明计算量较常规空间矢量调制方法更小，调制精度更高、并具有全数字化实现等优点，可以快速、准确的产生控制信号，实现三相全桥逆变器正常工作。

Description

一种空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及一种空间矢量调制方法。

背景技术

逆变技术是将电能由直流转变为交流的技术，在当今工业应用中扮演着重要的角色。电压型三相全桥逆变器应用非常广泛，其原理是采用高频开关管来搭建主电路，再配以相应的调制方法，控制开关管的开关状态，使输出波形近似正弦。

空间矢量调制方法的基本原理是将电压型三相全桥逆变器八种不同的开关状态经过坐标变换得到八种电压矢量，再将三相参考电压经过坐标变换得出参考电压矢量，之后选择八种电压矢量中若干电压矢量去合成参考电压矢量，并由此确定各开关管的开关状态。理论推导和实验均表明，空间矢量调制具有直流电压利用率高，谐波特性好，转矩脉动小等优点，而且还可以使各相脉冲分别在每周期的两个60°内保持不变，降低了33％的开关损耗，特别适合应用在大容量逆变器中。

然而，空间矢量调制方法往往会消耗大量计算时间，因为其中需要进行坐标变换，涉及多次正弦、反正切以及开方等非线性运算，所以不得不对最小采样周期进行限制，以保证每次采样中有足够的时间来计算扇区号及相应电压基矢量作用时间。这增大了输出波形中最低次谐波的频率，使波形畸变率增加，对空间矢量调制方法的广泛应用产生不良的影响。

中国专利200710019319，名称为“基于电压空间矢量的调制方法”，适用于电压型三相全桥逆变器，该方法运用两相120°坐标系，利用三相桥臂电压与参考电压矢量的对应关系，通过一定的矢量运算法则直接求解三相桥臂电压的作用时间，并最终得到各个开关管的控制信号。其缺点在于依然受坐标变换的约束，仍然需要进行部分矢量运算，计算量的减少程度不多。

发明内容

本发明的目的在于克服现有空间矢量调制方法计算量大、实现复杂、通用性差的缺点，提出一种新型空间矢量调制方法。本发明应用于电压型三相全桥逆变器，可以产生与常规空间矢量调制方法相同的控制信号，同时节省了计算量，提高了计算精度。

电压型三相全桥电压型逆变器的特征在于直流母线D和直流母线E之间跨接直流电源或电容，其中直流电源或电容的正极接直流母线D，直流电源或电容的负极接直流母线E。电压型三相全桥逆变器的输出分为A、B、C三相，每相均由两个开关管串联组成：A相由开关管K1和K2串联组成，开关管K1的阳极连接到直流母线D，开关管K1的阴极连接K2的阳极，开关管K2的阳极连接逆变器的A相输出和开关管K1的阴极，开关管K2的阴极连接直流母线E；B相由开关管K3和K4串联组成，开关管K3的阳极连接到直流母线D，开关管K3的阴极连接K4的阳极，开关管K4的阳极连接逆变器的A相输出和开关管K3的阴极，开关管K4的阴极连接直流母线E；C相由开关管K5和K6串联组成，开关管K5的阳极连接到直流母线D，开关管K5的阴极连接K6的阳极，开关管K6的阳极连接逆变器的A相输出和开关管K5的阴极，开关管K6的阴极连接直流母线E；对数字信号处理芯片DSP进行编程配置，产生控制信号P1～P6，由于P1～P6的电压等级不够且相互之间电压没有隔离，不能够直接控制开关管K1～K6，要经隔离驱动电路进行隔离和电压放大，再用来控制开关管K1～K6，P1～P6经隔离驱动电路后分别对应于P1’～P6’，P1’～P6’分别连接到每个开关管的驱动门极上，P1’控制开关管K1的开通和关断状态；P2’控制开关管K2的开通和关断状态；P3’控制开关管K3的开通和关断状态；P4’控制开关管K4的开通和关断状态；P5’控制开关管K5的开通和关断状态；P6’控制开关管K6的开通和关断状态，从而实现逆变。

本发明提出的空间矢量调制方法，通过计算扇区号、修正量和数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值，由数字信号处理芯片DSP产生控制信号，控制信号经过隔离驱动电路后连接到开关管，控制开关管开通和关断。假设直流输入电压为U，以直流母线E为参考点，则每一相输出有U和0两种电压。对于A相来说，开关管K1开通，K2关断时，输出电压为U，开关管K1关断，K2开通时，输出电压为0；对于B相来说，开关管K3开通，K4关断时，输出电压为U，开关管K3关断，K4开通时，输出电压为0；对于C相来说，开关管K5开通，K6关断时，输出电压为U，开关管K5关断，K6开通时，输出电压为0。本发明的具体工作过程如下：

步骤1：计算扇区号

在每一次调制过程中，首先根据三相参考电压U_an、U_bn、U_cn计算扇区号s的取值。其中U_an表示A相的参考电压；U_bn表示B相的参考电压；U_cn表示C相的参考电压，U_an、U_bn、U_cn可以通过采集三相交流电压得到。

如果U_an大于U_bn，再判断U_bn是否大于U_cn，如果U_bn大于U_cn，则s取1，如果U_bn不大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取6，如果U_an不大于U_cn，则s取5；如果U_an不大于U_bn，再判断U_bn是否大于U_cn，如果U_bn不大于U_cn，则s取4，如果U_bn大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取2，如果U_an不大于U_cn，则s取3。

步骤2：根据扇区号s的取值计算相应的修正量z

采用的方式是根据扇区号s的不同执行不同的计算式。如果扇区号s等于1，则修正量z取U_dc-U_an；如果扇区号s等于2，则修正量z取-U_cn；如果扇区号s等于3，则修正量z取U_dc-U_bn；如果扇区号s等于4，则修正量z取-U_an；如果扇区号s等于5，则修正量z取U_dc-U_cn；如果扇区号s等于6，则修正量z取-U_bn。

步骤3：计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值

将修正量z叠加到A相的参考电压U_an上得到A相参考电压的实际值U_an’，将修正量z叠加到B相的参考电压U_bn上得到B相参考电压的实际值U_bn’，将修正量z叠加到C相的参考电压U_cn上得到C相参考电压的实际值U_cn’。最后用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以A相参考电压的实际值U_an’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v1的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以B相参考电压的实际值U_bn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v2的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以C相参考电压的实际值U_cn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v3的数值，U_an’、U_bn’、U_cn’的物理意义表示在应用空间矢量调制方法时，A、B、C三相参考电压的实际值，本发明通过引入修正量的方法计算U_an’、u_bn’、U_cn’。

步骤4：数字信号处理芯片DSP输出控制信号控制开关管

对于A相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v1的数值，则输出控制信号，使开关管K1开通，K2关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v1的数值，则输出控制信号，使开关管K1关断，K2开通；对于B相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v2的数值，则输出控制信号，使开关管K3开通，K4关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v2的数值，则输出控制信号，使开关管K3关断，K4开通；对于C相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v3的数值，则输出控制信号，使开关管K5开通，K6关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v3的数值，则输出控制信号，使开关管K5关断，K6开通。

步骤5：等待至下一次调制过程开始时，重复上述过程。

本发明避免了常规空间矢量调制方法中的坐标变换和矢量运算等复杂运算，代之以少量的比较操作和少量的乘除法操作，因而计算量大为减少，提高了计算精度，通用性更好。本发明特别适用于采用数字信号处理芯片DSP实现。

附图说明

图1电压型三相全桥逆变电路图；

图2本发明空间矢量调制方法框图；

图3扇区号s的计算框图；

图4修正量z的计算框图；

图5比较寄存器数值的计算框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的空间矢量调制方法，适用于图1所示的电压型三相全桥逆变电路，通过计算扇区号s、修正量z和数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值，由数字信号处理芯片DSP产生六路控制信号P1～P6，经隔离驱动电路后分别对应P1’～P6’，分别控制开关管K1～K6，具体对应关系为：P1控制开关管K1，P2控制开关管K2，P3控制开关管K3，P4控制开关管K4，P5控制开关管K5，P6控制开关管K6，控制信号与常规空间矢量调制方法产生的控制信号相同。

图2所示为本发明的空间矢量调制方法框图，首先通过对三相参考电压u_an，U_bn，U_cn进行分层比较的方式确定扇区号s的取值。如果A相参考电压U_an大于B相参考电压U_bn，再判断B相参考电压U_bn是否大于C相参考电压U_cn，如果U_bn大于U_cn，则s取1，如果U_bn不大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取6，如果U_an不大于U_cn，则s取5；如果U_an不大于U_bn，再判断U_bn是否大于U_cn，如果U_bn不大于U_cn，则s取4，如果U_bn大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取2，如果U_an不大于U_cn，则s取3。

确定出扇区号s之后，根据s的取值计算相应的修正量z，采用的方式是根据s的不同执行不同的计算式，如果s等于1，则z取U_dc-U_an；如果s等于2，则z取-U_cn；如果s等于3，则z取U_dc-U_bn；如果s等于4，则z取-U_an；如果s等于5，则z取U_dc-U_cn；如果s等于6，则z取-U_bn。然后将修正量z与U_an相加得到U_an’，将修正量z与U_bn相加得到U_bn’，将修正量z与U_cn相加得到U_cn’。

最后用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最太计数值N乘以U_an’后再除以U_dc得到比较寄存器v1的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以U_bn’后再除以U_dc得到比较寄存器v2的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以U_cn’后再除以U_dc得到比较寄存器v3的数值。数字信号处理芯片DSP在运行过程中，如果计时器的计数值小于比较寄存器v1，则输出控制信号P1使开关管K1开通，输出控制信号P2使开关管K2关断，如果计时器的计数值不小于v1，则输出控制信号P1使开关管K1关断，输出控制信号P2使开关管K2开通；如果计时器的计数值小于比较寄存器v2，则输出控制信号P3使开关管K3开通，输出控制信号P4使开关管K4关断，如果计时器的计数值不小于v2，则输出控制信号P3使开关管K3关断，输出控制信号P4使开关管K4开通；如果计时器的计数值小于比较寄存器v3，则输出控制信号P5使开关管K5开通，输出控制信号P6使开关管K6关断，如果计时器的计数值不小于v3，则输出控制信号P5使开关管K5关断，输出控制信号P6使开关管K6开通。

图3所示为扇区号s的计算流程，其计算途径为通过比较三相参考电压U_an、U_bn、U_cn的大小关系得出扇区号s的取值。为进一步降低运算量，采用了分层比较的方式。流程为从图3的顶部逐步向下进行，最终都可以进入s的赋值环节，确定出s的取值。具体步骤是：如果A相参考电压U_an大于B相参考电压U_bn，再判断B相参考电压U_bn是否大于C相参考电压U_cn，如果U_bn大于U_cn，则s取1，如果U_bn不大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取6，如果U_an不大于U_cn，则s取5；如果U_an不大于U_bn，再判断U_bn是否大于U_cn，如果U_bn不大于U_cn，则s取4，如果U_bn大于U_cn，再判断U_an是否大于U_cn，如果U_an大于U_cn，则s取2，如果U_an不大于U_cn，则s取3。由此可见这个过程最多需要进行3次比较操作，而最少仅需要两次比较操作，且平均需要进行的比较操作次数为3*4/6+2*2/6＝2.67次。

图4所示为修正量z的具体计算流程图，根据扇区号s分别进入不同的计算环节，其中U_dc表示逆变器的直流输入电压，U_an表示A相参考电压、U_bn表示B相参考电压，U_cn表示C相参考电压。具体来说，如果扇区号s等于1，则修正量z取U_dc-U_an；如果扇区号s等于2，则修正量z取-U_cn；如果扇区号s等于3，则修正量z取U_dc-U_bn；如果扇区号s等于4，则修正量z取-U_an；如果扇区号s等于5，则修正量z取U_dc-U_cn；如果扇区号s等于6，则修正量z取-U_bn。

图5所示为数字信号处理芯片DSP的比较寄存器数值的计算框图。其中N为设定的数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值。A相的比较寄存器v1的数值为N乘以A相参考电压的实际值U_an’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc，B相的比较寄存器v2的数值为N乘以B相参考电压的实际值U_bn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc，C相的比较寄存器v3的数值为N乘以C相参考电压的实际值U_cn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc。

得到v1，v2，v3之后，对于A相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v1的数值，则输出控制信号，使开关管K1开通，开关管K2关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v1，则输出控制信号，使开关管K1关断，开关管K2开通；对于B相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v2的数值，则输出控制信号，使开关管K3开通，开关管K4关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v2，则输出控制信号，使开关管K3关断，开关管K4开通；对于C相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v3的数值，则输出控制信号，使开关管K5开通，开关管K6关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v3，则输出控制信号，使开关管K5关断，开关管K6开通，这样，电压型三相全桥逆变器的各开关管状态不断变化，便可以实现逆变。

Claims (1)

1.一种空间矢量调制方法，其特征在于，根据逆变器的直流输入电压和A、B、C三相参考电压U_an、U_bn、U_cn计算扇区号s、修正量z和数字信号处理芯片DSP中比较寄存器v1、v2、v3的数值，由数字信号处理芯片DSP产生相应的六路控制信号P1～P6，经隔离驱动电路后分别对应P1’～P6’，分别控制开关管K1～K6；

所述的调制方法包括以下步骤：

步骤1：计算扇区号

在每一次调制过程中，首先根据三相参考电压U_an、U_bn、U_cn计算扇区号s的取值；

如果A相的参考电压U_an大于B相的参考电压U_bn，再判断B相参考电压U_bn是否大于C相的参考电压U_cn，如果B相参考电压U_bn大于C相参考电压U_cn，则s取1，如果B相参考电压U_bn不大于C相参考电压U_cn，再判断A相参考电压U_an是否大于C相参考电压U_cn，如果A相参考电压U_an大于C相参考电压U_cn，则s取6，如果A相参考电压U_an不大于C相参考电压U_cn，则s取5；如果A相参考电压U_an不大于B相参考电压U_bn，再判断B相参考电压U_bn是否大于C相参考电压U_cn，如果B相参考电压U_bn不大于C相参考电压U_cn，则s取4，如果B相参考电压U_bn大于C相参考电压U_cn，再判断A相参考电压U_an是否大于C相参考电压U_cn，如果A相参考电压U_an大于C相参考电压U_cn，则s取2，如果A相参考电压U_an不大于C相参考电压U_cn，则s取3；

步骤2：根据扇区号s的取值计算相应的修正量z

采用的方式是根据扇区号s的不同执行不同的计算式；如果扇区号s等于1，则修正量z取U_dc-U_an；如果扇区号s等于2，则修正量z取-U_cn；如果扇区号s等于3，则修正量z取U_dc-U_bn；如果扇区号s等于4，则修正量z取-U_an；如果扇区号s等于5，则修正量z取U_dc-U_cn；如果扇区号s等于6，则修正量z取-U_bn；

步骤3：计算数字信号处理芯片DSP中比较寄存器的数值

将修正量z叠加到A相的参考电压U_an上得到A相参考电压的实际值U_an’，将修正量z叠加到B相的参考电压U_bn上得到B相参考电压的实际值U_bn’，将修正量z叠加到C相的参考电压U_cn上得到C相参考电压的实际值U_cn’；最后用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以A相参考电压的实际值U_an’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v1的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以B相参考电压的实际值U_bn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v2的数值，用数字信号处理芯片DSP中的定时器半周期最大计数值N乘以C相参考电压的实际值U_cn’后再除以逆变器的直流输入电压U_dc得到比较寄存器v3的数值；

步骤4：数字信号处理芯片DSP输出控制信号控制开关管

对于A相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v1的数值，则输出控制信号，使开关管K1开通，K2关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v1的数值，则输出控制信号，使开关管K1关断，K2开通；对于B相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v2的数值，则输出控制信号，使开关管K3开通，K4关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v2的数值，则输出控制信号，使开关管K3关断，K4开通；对于C相，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值小于比较寄存器v3的数值，则输出控制信号，使开关管K5开通，K6关断，如果数字信号处理芯片DSP的定时器计数值不小于v3的数值，则输出控制信号，使开关管K5关断，K6开通；

步骤5：等待至下一次调制过程开始时，重复上述过程。

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