CN118677278B

CN118677278B - 基于电机单电阻采样的svpwm波形产生方法、存储介质和设备

Info

Publication number: CN118677278B
Application number: CN202411062440.XA
Authority: CN
Inventors: 王霆; 杨廷草; 孙振玮
Original assignee: Hefei Smart Chip Semiconductor Co ltd; Shanghai Sasha Mai Semiconductor Co ltd; Tianjin Smart Core Semiconductor Technology Co ltd; Suzhou Sasama Semiconductor Co ltd
Current assignee: Hefei Smart Chip Semiconductor Co ltd; Shanghai Sasha Mai Semiconductor Co ltd; Tianjin Smart Core Semiconductor Technology Co ltd; Suzhou Sasama Semiconductor Co ltd
Priority date: 2024-08-05
Filing date: 2024-08-05
Publication date: 2024-12-24
Anticipated expiration: 2044-08-05
Also published as: CN118677278A

Abstract

本发明公开了一种基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备，涉及逆变器控制技术领域。方法包括：在当前控制周期的PWM输出过程中，利用单电阻采样方案得到电机的三相电流，并根据三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ；根据Vα和Vβ确定由电机三相电压叠加得到的参考合成矢量所在的目标扇区；利用两个零矢量和目标扇区对应的三个非零矢量对进行矢量合成，并确定用于合成的每个矢量的作用时间；按照预设规则和作用时间生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出。该方法可实现基于基尔霍夫定律对三相电流的安全校验，且可消除一半扇区间的临界区域，更方便电机控制算法的实现。

Description

基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备

技术领域

本发明涉及逆变器控制技术领域，尤其涉及一种基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备。

背景技术

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）在电机控制领域有着重要的应用。在电机无感FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）控制中，SVPWM使用三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成SVPWM波形，以精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

在电机无感FOC控制中，需要采集相电流。目前，相电流采集方案包括单电阻、双电阻和三电阻方案。但在单电阻方案中，传统的SVPWM波形产生技术只能采集两相电流，且无法通过基尔霍夫定律对采样的相电流进行安全校验，需额外增加放大器和ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）进行安全校验；同时，无法消除扇区与扇区之间的临界区域。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备，以实现基于基尔霍夫电流定律对三相电流进行安全校验，且可减少扇区与扇区之间的临界区域，更方便电机控制算法的实现。

为解决上述技术问题，本发明第一方面实施例提出了一种基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，采样电阻连接在电机逆变器直流侧的一端及其对应的供电端口之间，所述方法包括：在当前控制周期的PWM输出过程中，利用所述采样电阻进行三次电流采样得到所述电机的三相电流，并根据所述三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ；根据Vα和Vβ确定由所述电机的三相电压矢量叠加得到的参考合成矢量所在电压矢量空间的目标扇区；利用两个零矢量和所述目标扇区对应的三个非零矢量对进行SVPWM矢量合成，并确定用于合成的每个矢量的作用时间；按照预设规则和所述作用时间得到目标矢量序列，并根据所述目标矢量序列生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出，其中，所述目标矢量序列为五段式矢量序列、七段式矢量序列或九段式矢量序列。

另外，本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：利用基尔霍夫定律对所述三相电流进行安全验证；若验证通过，则执行所述根据所述三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ的步骤；若验证未通过，则停止当前控制周期的PWM输出，并结束SVPWM波形的产生流程。

根据本发明的一个实施例，所述目标扇区为第一扇区，所述第一扇区由所述电压矢量空间的扇区Ⅰ、Ⅱ组成；通过下式对进行SVPWM矢量合成：

，

其中，表示控制周期，表示非零矢量V4的作用时间，6表示非零矢量V6的作用时间，T2表示非零矢量V2的作用时间，T0表示零矢量V0的作用时间，T7表示零矢量V7的作用时间。

根据本发明的一个实施例，Tsw对于T2、T4、T6一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

其中，m表示SVPWM调制系数，θ表示和V4间的夹角，表示最小采样窗口时间；当所述目标矢量序列不会分割非零矢量区间时，；当所述目标矢量序列会分割非零矢量区间时，；Tasw表示实际采样窗口时间。

根据本发明的一个实施例，Tsw对于T2、T4、T6不一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

其中，m表示SVPWM调制系数，θ表示和V4间的夹角，，Tasw表示实际采样窗口时间；，，或者，，。

根据本发明的一个实施例，所述确定用于合成的每个矢量的作用时间，包括：

若处于所述扇区Ⅰ，则确定T2=Tsw，，；

若处于所述扇区Ⅱ，则确定T4=Tsw，，；

其中，，或者，，，或者，，。

根据本发明的一个实施例，定义开关函数Sx，x=a、b、c，Sx=1，表示x相上桥臂导通，Sx=0，表示x相下桥臂导通；所述预设规则包括如下三者：

规则一：零矢量均匀设置在起始阶段与结束阶段，

规则二：每次状态切换时，有一相桥臂的开关动作，

规则三：矢量序列的段数为预设值；

其中，所述按照预设规则和所述作用时间得到目标矢量序列，包括：

若所述预设值为五，则所述目标矢量序列为000-100-110-010-000，或者，000-010-110-100-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于所述目标矢量序列中间的非零矢量区间；

若所述预设值为七，则所述目标矢量序列为000-100-110-010-110-100-000，或者，000-010-110-100-110-010-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于所述目标矢量序列前三个非零矢量区间；

若所述预设值为九，则所述目标矢量序列为000-100-110-010-000-010-110-100-000，或者，000-010-110-100-000-100 -110-010-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于所述目标矢量序列前三个非零矢量区间。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：当确定转子位置θ接近或处于临界区域时，对待产生的SVPWM波形进行移相或者填坑操作。

为解决上述技术问题，本发明第二方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面实施例所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法。

为解决上述技术问题，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述第一方面实施例所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法。

本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备，通过将电压矢量空间分为三个扇区，并利用两个零矢量和三个非零矢量对进行SVPWM矢量合成，以及确定用于合成的每个矢量的作用时间，之后按照预设规则和所述作用时间得到五段式、七段式或九段式的目标矢量序列，并根据所述目标矢量序列生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出。由此，可实现基于基尔霍夫电流定律对三相电流进行安全校验，且可减少扇区与扇区之间的临界区域，更方便电机控制算法的实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1（a）是本发明所采用的单电阻采样方案的示意图；

图1（b）是三电阻采样方案的示意图；

图1（c）是双电阻采样方法的示意图；

图2是本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法的流程图；

图3是本发明实施例的无感FOC控制的结构示意图；

图4（a）是本发明一个示例的三相电流矢量的示意图；

图4（b）是本发明一个示例的两相静止坐标系下电流矢量的示意图；

图4（c）是本发明一个示例的两相旋转坐标系下电流矢量的示意图；

图5是本发明一个实施例的逆变器拓扑结构的示意图；

图6是本发明一个示例的三相电压矢量的示意图；

图7（a）是本发明一个示例的电压合成矢量的示意图；

图7（b）是本发明一个示例的电压矢量空间的示意图；

图8是本发明实施例的电压矢量空间扇区划分的示意图；

图9（a）是本发明一个示例的电压矢量合成过程的示意图；

图9（b）是基于图9（a）的电压矢量合成过程的示意图；

图10（a）是本发明实施例的临界SVM矢量区域的示意图；

图10（b）是传统SVPWM波形产生方法对应的临界SVM矢量区域的示意图；

图11（a）是传统SVPWM波形产生方法得到的四段式矢量序列的示意图；

图11（b）是传统SVPWM波形产生方法得到的五段式矢量序列的示意图；

图11（c）是传统SVPWM波形产生方法得到的七段式矢量序列的示意图；

图12（a）、图12（b）是本发明方法得到的五段式矢量序列的示意图；

图12（c）、图12（d）是本发明方法得到的七段式矢量序列的示意图；

图12（e）、图12（f）是本发明方法得到的九段式矢量序列的示意图；

图13（a）、图13（b）分别是图12（a）、图12（b）对应的电流采样点的示意图；

图13（c）、图13（d）分别是图12（c）、图12（d）对应的电流采样点的示意图；

图13（e）、图13（f）分别是图12（e）、图12（f）对应的电流采样点的示意图；

图14是本发明实施例的电子设备的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备。

在本发明的实施例中，电机的三相电流采用单电阻采样，如图1（a）所示，采样电阻R0连接在电机逆变器直流侧的一端及其对应的供电端口之间。参见图1（a），对应采样电阻R0设置有放大器AMP0和模数转换器ADC0（图中未示出），以得到用于无感FOC控制的相电流。相较于图1（b）所示的三电阻采样方案和图1（c）所示的双电阻采样方案，本申请中的单电阻采样方案硬件成本更低，结构更简单。

图2是本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法的流程图。

如图2所示，基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法包括：

S21，在当前控制周期的PWM输出过程中，利用采样电阻进行三次电流采样得到电机的三相电流，并根据三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ。

具体地，本发明方法用于三相电机无感FOC控制中的SVPWM波形产生过程，如图3所示，无感FOC控制流程包括：

1）获取电机的三相电流Ia、Ib、Ic，对于PMSM（Permanent-magnet SynchronousMotor，永磁同步电机）电机而言，Ia、Ib、Ic电流呈正弦波，相位相差120度（如图4（a）所示）。

2）通过Clark变换将三相静止坐标系下的电流（Ia、Ib、Ic）转换为两相静止坐标系（αβ坐标系）下的Iα和Iβ（Iα和Iβ为正弦波，相位相差90度，如图4（b）所示）。Iα和Iβ作为电流观测器（如，滑膜观测器、龙伯格观测器）的输入，估算转子位置θ和转子速度ω，转子位置θ作为反Park变换的输入，转子速度ω作为PI控制系统的输入。其中，转子位置θ可通过观测器估算的反电动势，用CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer，坐标旋转数字计算方法）加速计算得出；转子速度ω可通过两次θ的差值进一步计算得出。

3）通过Park变换将Iα和Iβ转换为两相旋转坐标系（dq坐标系）下的近似常量Id和Iq（Id和Iq相互垂直，并随转子磁链旋转，如图4（c）所示）。Id和Iq作为比例积分PI控制环路的输入（相比于变化的正弦波，常量更方便PI控制系统跟踪控制）。

4）PI控制系统根据Id、Iq以及Id、Iq的参考值IDREF，IQREF，进行误差比较及控制，输出的Vd和Vq通过反Park变换转换为两相静止坐标系（αβ坐标系）下的Vα和Vβ。Vα和Vβ作为电流观测器（如，滑膜观测器、龙伯格观测器）的输入，用于下一个控制环估算转子位置θ和转子速度ω。

5）通过反Clark变换将Vα和Vβ转换为三相静止坐标系下的三相电压值Va、Vb、Vc，并用于计算PWM波形的占空比，产生三相对应的PWM开关波形。在实际应用中，使用SVPWM（图3中的SVM）来同时实现反Clark变换、PWM占空比的计算以及SVPWM波形的生成。

6）SVM产生的三相SVPWM波形（六路PWM信号，每一相分别控制上管和下管）输出到三相电机驱动桥（3-Phase Bridge），驱动电路输出给电机的三个相输入线。

需要说明的是，对于高速电机，转速过高时反电动势过高，此时需要进行弱磁控制。如图3所示，弱磁控制根据转子速度参考值ωREF，输出IDREF（对于PMSM弱磁控制而言，IDREF为负）。由于电机启动时转速较慢，反电动势较小，此时很难估算转子位置θ，故需额外的启动算法（如采用预设的θ和加速度启动电机到一定转速）。

利用上一控制周期得到的SVPWM波形进行当前控制周期的PWM输出，在当前控制周期的PWM输出过程中，利用采样电阻进行三次电流采样（即单电阻采样）得到电机的三相电流Ia、Ib、Ic，并结合无感FOC控制的流程根据三相电流Ia、Ib、Ic可得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ。

在本发明的一些实施例中，在采集得到三相电流Ia、Ib、Ic后，可利用基尔霍夫定律对三相电流Ia、Ib、Ic进行安全验证；若验证通过，则执行根据三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ的步骤；若验证未通过，则停止当前控制周期的PWM输出，并结束SVPWM波形的产生流程。

具体地，由基尔霍夫定律可得，同一时间采样的电流Ia、Ib、Ic满足相加等于0，即。实际上由于采样点有区别，以及采样误差、噪声干扰等因素，故可基于基尔霍夫定律设置了最大允许的电流误差值。在对三相电流Ia、Ib、Ic进行安全验证时，可验证式是否满足。若不满足，即，则认为存在采样值错误，采取进一步安全措施，如停止PWM波输出，电机停转以保护系统；若满足，则继续之后的SVPWM波形产生流程。

S22，根据Vα和Vβ确定由电机的三相电压矢量叠加得到的参考合成矢量Vδ所在电压矢量空间的目标扇区。

具体地，本发明针对的逆变器拓扑如图5所示。参见图5，逆变器的直流侧电压为Vdc，对于a、b、c三相桥臂，每相桥臂均有上下两个开关管（如IGBT管），两个开关管不能同时导通。为了便于表述，定义一个开关函数Sx(x=a、b、c)如下：

Sx=1，代表x相上桥臂导通（即x相高端驱动管打开）；

Sx=0，代表x相下桥臂导通（即x相低端驱动管打开）。

由于每相桥臂均有0、1两种状态，排列组合下，就一共有种组合方式。若采用（SaSbSc）来表示逆变器三相桥臂的开关状态，则开关管VT1、VT6、VT2导通，VT4、VT3、VT5关断的情况，可以表示为（100）。

在（100）组合下，有下面电压关系（N代表电机中性点）：

，，，

求解得到：

分别对另外7组组合：（001）、（010）、（011）、（101）、（110）、（000）、（111），采用相同的方式，计算出相应的VaN、VbN、VcN，得到如下表1所示的对应关系：

表1

对于PMSM电机，如图6所示，在定子ABC绕组上施加三相对称电压Va、Vb、Vc，从而在气隙中生成逆时针旋转的磁场。旋转磁场拖动转子磁极，克服静摩擦力后，转子将开始旋转。根据ABC绕组的空间位置，在平面中绘制ABC坐标系，ABC轴之间的空间角度为120°。在ABC轴上，电压幅值均周期性变化：，，，其中，Vm为相电压峰值。根据矢量的线性叠加原理，可以计算由ABC轴矢量合成得到的参考合成矢量的表达式，如下：

其中，表征A、B轴之间相差120°的空间电角度。

可以看出，参考合成矢量的幅值是原幅值的倍，且以角速度ω逆时针旋转。由于幅值保持不变，将顶点走过的路径连接起来，恰好是一个圆。根据电动势与磁场的线性关系，可知磁场也是以角速度ω逆时针旋转的。对于电动机而言，重点在于如何控制定子三相电动势，使其能够产生标准的圆形磁场，磁场越圆，说明电机控制精度越高。对于发电机而言，重点在于如何控制转子的角速度恒定，形成标准圆形磁场，从而在定子上感应出三相对称电动势。

对于abc三相上的相电压（VaN、VbN、VcN分别对应上例中的Va、Vb、Vc），可以求取其电压合成矢量。在上表1所示的8种（SaSbSc）组合状态下，基于等幅值变换可以计算出各状态的合成矢量如下：

需要说明的是，等幅值变换是为了使计算得到的合成矢量幅值等于相电压的幅值，所以在直接变换矩阵前乘以。当然，也可基于等功率变换、等有效值变换等进行电压矢量合成。等功率变换是通过对直接变换矩阵乘以一个系数，使合成电压矢量和电流矢量的幅值乘积直接等于三相的总功率。等幅值变换、等功率变换和等有效值变换只是出于不同的目的，在直接变换矩阵的基础上乘以了一定的系数。只要选定坐标变换类型之后，在控制过程中计算相关的物理量时使用正确的系数就不会出现任何问题，它们对控制系统本身的稳定性并没有任何影响。

如图7（a）所示，在αβ坐标系下绘制出上述合成矢量V0~V7，并令α轴与abc坐标系中的x轴方向一致。这8个矢量可以分为两组：零矢量V0、V7分为一组，非零矢量V4、V6、V2、V3、V1、V5分为一组，其中，非零矢量的幅值相等，均为，角度分别相差60°。将6个非零矢量的顶点连接起来，正好是一个正六边形，如图7（b）所示。两个相邻的合成矢量与六边形的边构成一个等边三角形，一共有6个等边三角形，分别可称为扇区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。

本发明将SVPWM电压矢量空间的六扇区重新划分为三个扇区，如图8所示，三个扇区分别为：第一扇区（包含扇区Ⅰ、Ⅱ）、第二扇区（包含扇区Ⅲ、Ⅳ）、第三扇区（包含扇区Ⅴ、Ⅵ）。对于新的扇区划分，有如下特征：

1）新扇区所包含的三个矢量，即单电阻方案采样电流包括了Ia、Ib、Ic三相电流，该特征有助于后续SVPWM矢量合成。

2）新扇区靠边的两个矢量，与零矢量V0(000)之间只有一相之差，如V2 (010)、V4(100)、V1(001)各自与零矢量V0(000)之间只差一位，该特征有助于后续构造SVPWM矢量序列。

在得到Vα和Vβ后，可根据下表2确定参考合成矢量所在的目标扇区（可以是第一扇区、第二扇区、第三扇区中的一个）：

表2

若落在扇区Ⅰ或扇区Ⅱ，则确定目标扇区为第一扇区；若落在扇区Ⅲ或扇区Ⅳ，则确定目标扇区为第二扇区；若落在扇区Ⅴ或扇区Ⅵ，则确定目标扇区为第三扇区。

S23，利用两个零矢量和目标扇区对应的三个非零矢量对Vδ进行SVPWM矢量合成，并确定用于合成Vδ的每个矢量的作用时间。

具体地，对于SVPWM矢量合成，原则是：1）矢量数量尽可能少，以减少开关切换的损耗；2）矢量与矢量之间的切换，所需的开关切换的驱动管数量越少越好。为此，本发明采用零矢量和新扇区对应的相邻的三个非零矢量进行合成，即：在第一扇区内，采用非零矢量V4、V6、V2以及零矢量V0、V7合成参考合成矢量；在第二扇区内，采用非零矢量V2、V3、V1以及零矢量V0、V7合成参考合成矢量；在第三扇区内，采用非零矢量V1、V5、V4以及零矢量V0、V7合成参考合成矢量。需要说明的是，采用此种合成方式合成的参考合成矢量边界依旧为不重新分扇区时的六边形边界，理由如下：

以参考合成矢量在第一扇区内（其他扇区同理）为例，令Ts=T4+T6+T2=1，即不包含零矢量进行合成，以探寻最大的矢量边界。其中，Ts为控制周期，T4、T6、T2分别为V4、V6、V2的作用时间。令在V4与V6的顶点连线上（在V2与V6的顶点连线上同理），T4∈[0,1]且为一固定值，先考虑只由V4与V6进行合成，则T4的值也就固定，如图9（a）所示。接着考虑减少T4为T4’，增加T2，并观测新的合成矢量是否会大于六边形边界。由图9（b）所示的矢量合成及等边三角形性质，可知新合成的顶点只有在T4=0的时候才会处于V2与V6的顶点连线上，其余情况下均在六边形以内。再令T4在[0,1]上变化，并重复上述过程，可知第一扇区内三个矢量任意合成的情况下，其合成矢量顶点不会超过六边形的边界。

在本发明的一些实施例中，目标扇区为第一扇区，通过下式对进行SVPWM矢量合成：

，

接下来，确定每个矢量的作用时间。

在本发明的一些实施例中，Tsw对于V4、V6、V2一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

其中，m表示SVPWM调制系数，θ表示和V4间的夹角，表示最小采样窗口时间，假设新构造的矢量序列（即目标矢量序列）不会分割非零矢量区间，则，Tasw表示实际采样窗口时间。

具体地，在两相静止参考坐标系(α,β)中，令和V4间的夹角是θ，由正弦定理可得：

（1）

（2）

因为等幅值变换下，，将其代入公式（1）和公式（2）可得公式（3）和公式（4）：

（3）

（4）

令，为SVPWM调制系数，将其代入公式（4），可得公式（5）：

（5）

将m和公式（5）代入公式（3），可得：

根据，，，上式可变为公式（6）：

（6）

令最小采样窗口时间为Tsw（假设Tsw对于V4、V6、V2均一致），根据T4、T6、T2均应大于等于Tsw的限制，可得公式（7）、公式（8）和公式（9）：

（7）

（8）

（9）

根据T4、T6、T2之和应小于等于Ts的限制，可得如下所示的公式（10）：

由于，可得三矢量合成情况下，若T2不为0，则需要对m即的值做出限制，以保证最近三矢量合成情况下，T4+T6+T2的时间一定小于等于Ts。

当满足公式（7）-（10）（即上述的约束条件），且根据电机应用场景可确定Tsw、Ts、Vdc的情况下，即可根据一定规则确定、T4、T6、T2的值。

在一些示例中，确定用于合成的每个矢量的作用时间，包括：若处于扇区Ⅰ，则确定T2=Tsw，，；若处于扇区Ⅱ，则确定T4=Tsw，，；其中，，或者，，，或者，，。

具体地，一种确定、T4、T6、T2值的流程如下：

第一步：根据电机应用场景确定Tsw、Ts、Vdc的值；

第二步：将新的第一扇区还是分为原先的第Ⅰ扇区与第Ⅱ扇区进行构造；

在实际应用中，需要确定所处的扇区（即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ）。

第三步：当处于扇区Ⅰ时，令T2=Tsw；处于扇区Ⅱ时，令T4=Tsw；

同理，当Vδ处于扇区Ⅲ时，令T1=Tsw；当Vδ处于扇区Ⅳ时，令T2=Tsw；当Vδ处于扇区Ⅴ时，令T4=Tsw；当Vδ处于扇区Ⅵ时，令T1=Tsw。

第四步：确定m与θ的取值范围，并根据电机应用确定m的值（也可确定）：

当处于扇区Ⅰ时，θ∈(0,)，公式（7）-（10）变为：

，恒成立；；，恒成立；。

当处于扇区Ⅱ时，θ∈(,)，公式（7）-（10）变为：

，恒成立；；，恒成立；。

排除掉恒成立公式，可得：

当处于扇区Ⅰ时，θ∈(0,)，需满足：

（11）

（12）

当处于扇区Ⅱ时，θ∈(,)，需满足：

（13）

（14）

在扇区Ⅰ内最大值为1，在扇区Ⅱ内最大值为1，所以由公式（12）与公式（14）可得m的最大值取值范围为：

（15）

根据电机应用场景确定m，由于Vdc已经确定，则也可确定。

需要说明的是，在每个控制周期Ts中，控制器执行一次算法，更新一次PWM信号。影响Ts的因素有：1）应用需求：控制周期直接影响到电机的响应速度和控制精度，控制周期越短，响应速度和控制精度越高；所以对位置控制精确的应用，如平衡车，其电机控制周期Ts较短。2）控制器性能：控制周期Ts的减少受限于ADC采样+MCU处理速度，需要保证在一个Ts内ADC采样+FOC算法运算完成，所以高速ADC和高性能MCU在同等条件下，可以允许更短的Ts；但假如一个MCU控制多个电机，则每个电机允许的最小Ts会变长，因为MCU整体工作量变大了。3）电机参数：电机的惯性、负载等参数也会影响到控制周期的设计，需要根据具体电机参数进行选择。4）系统稳定性：过长或过短的控制周期都会影响到系统的稳定性，需要在系统稳定性和控制精度之间进行平衡。为稳定采样需要维持的最小窗口时间，与信号的稳定时间、ADC的采样速度有关系，一般来说，需要在信号稳定之后，进行ADC采样，所以最小采样窗口时间Tsw可以理解为信号的稳定时间+ADC的采样时间+额外的时间裕量。在Ts和Tsw确定后，即可确定出m。

接下来由公式（11）与公式（13）可得θ的取值范围：

当处于扇区Ⅰ时：

（16）

当处于扇区Ⅱ时：

可得

（17）

公式（16）中由于大于0，可得；公式（17）中由于大于0，可得。由此，对于新划分的第一扇区，与传统SVPWM合成方法相比，虽然也存在使用单电阻重构三相电流的临界SVM矢量区域（如图10（a）中所示的阴影区域），但是区域附近没有临界区域，这与传统SVPWM合成方法（对应的临界区域如图10（b）中的阴影区域）相比提高了。

第五步：确定T4、T6、T2的值；

当已经确定了Tsw、Ts、Vdc、等电机控制需要的参数，以及非临界区域的取值范围后，电机启动，FOC算法运行，每个控制周期内需要估算的值。首先判断是否满足公式（16）与公式（17），若不满足，接近或处于临界区域，则不能利用下面的算法，后续控制周期PWM波形需要进行移相或者填坑操作。若满足，即不处于临界区域，则可根据判断扇区，并确定T4、T6、T2的值。

当处于扇Ⅰ区时，T2=Tsw，，；当处于扇区Ⅱ时，T4=Tsw，，。

零矢量所分配的时间为：，或者，，，或者，，。

S24，按照预设规则和作用时间得到目标矢量序列，并根据目标矢量序列生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出，其中，目标矢量序列为五段式矢量序列、七段式矢量序列或九段式矢量序列。

在本发明的一些实施例中，定义开关函数Sx，x=a、b、c，Sx=1，表示x相上桥臂导通，Sx=0，表示x相下桥臂导通；预设规则包括如下三者：

规则一：零矢量均匀设置在起始阶段与结束阶段，

规则二：每次状态切换时，有一相桥臂的开关动作，

规则三：矢量序列的段数为预设值。

其中，按照预设规则和作用时间得到目标矢量序列，包括：若预设值为五，则目标矢量序列为000-100-110-010-000，或者，000-010-110-100-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于目标矢量序列中间的非零矢量区间；若预设值为七，则目标矢量序列为000-100-110-010-110-100-000，或者，000-010-110-100-110-010-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于目标矢量序列前三个非零矢量区间；若预设值为九，则目标矢量序列为000-100-110-010-000-010-110-100-000，或者，000-010-110-100-000-100 -110-010-000，且各段的持续时间根据相应的作用时间确定，其中，三次电流采样点位于目标矢量序列前三个非零矢量区间。

具体地，传统的SVPWM波形产生方法中，利用零矢量和两相邻非零矢量进行Vδ的合成，并采用四段式矢量序列、五段式矢量序列或七段式矢量序列进行矢量序列的生成。以Vδ落在扇区Ⅰ为例，得到的四段式矢量序列为000-100-110-000，如图11（a）所示；得到的五段式矢量序列为000-100-110-100-000，如图11（b）所示，得到的七段式矢量序列为000-100-110-111-110-100-000-，如图11（c）所示。

上述四段式矢量序列的缺点是状态切换时有两个桥臂的开关需要动作，并且波形不对称，而采用本发明方法，可将上述传统方法得到四段式矢量序列变为五段式矢量序列：000-100-110-010-000（图12（a））或者000-010-110-100-000（图12（b））。采用本发明方法，可将上述传统方法得到五段式矢量序列变为七段式矢量序列：000-100-110-010-110-100-000（图12（c）），或者，000-010-110-100-110-010-000（图12（d）），可将上述传统方法得到七段式矢量序列变为九段式矢量序列：000-100-110-010-000-010-110-100-000（图12（e）），或者，000-010-110-100-000-100-110-010-000（图12（f））。并且，本发明中的九段式矢量序列，在中间插入000而非111，可减少开关切换。

根据得到的目标矢量序列可生成SVPWM波形，生成的SVPWM波形可用于下一控制周期的PWM输出。在下一控制周期的PWM输出过程中，可采用单电阻采样方案进行三相电流的采样，采样电阻的电流采样点可设置如下：

对于五段式的目标矢量序列，三次电流采样点可位于中间的非零矢量区间，如图13（a）、图13（b）所示；对于七段式的目标矢量序列，三次电流采样点可位于前三个非零矢量区间，如图13（c）、图13（d）所示；对于九段式的目标矢量序列，三次电流采样点可位于前三个非零矢量区间，如图13（e）、图13（f）所示。

在本发明的一些实施例中，Tsw对于T2、T4、T6不一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

具体地，由于本发明得到的五段式矢量序列，Tsw是不分割非零矢量区间的，Tsw=Tasw；而七段式矢量序列、九段式矢量序列可能会分割非零矢量区间，故需将Tsw换算到Tasw(Time of Actual Sampling Window，实际采样窗口时间)。

考虑到V2矢量在时间上没有被分割，则对于图12（c）所示的七段式矢量序列，有；考虑到V4矢量在时间上没有被分割，则对于图12（d）所示的七段式矢量序列，有；对于九段式矢量序列，有。

对于上述Tsw(V4)、Tsw(V6)、Tsw(V2)不相等的情况，需要对公式（7）、公式（8）、公式（9）做对应修改如下：

公式（7）变为；

公式（8）变为；

公式（9）变为。

并且，重新推算并确定m与θ的取值范围、确定T4、T6、T2的值。论证过程与上述类似，在此不做赘述。

如上所述，本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法的应用流程可如下：

1）根据电机应用场景确定Tasw、Ts、Vdc的值；

2）由上述第四步确定m与θ的取值范围，并根据电机应用确定m的值（|Vδ|也可确定）；

3）选择一种矢量序列（五段式、七段式、九段式）用于生成SVPWM波形，并根据所选择的矢量序列确定Tsw的值；

4）在电机启动后，电机控制算法（无感FOC控制算法）的每个控制周期内，利用单电阻采样方案采样并得到三相电流Ia、Ib、Ic，并基于基尔霍夫定律进行功能安全校验。若校验通过，则继续下面流程，否则采取安全措施，如停止PWM输出，电机停转等；

5）根据三相电流进行Clark-Park变换，计算θ、ω的值，判断Vδ所在扇区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ），进行PI控制，并进行反Clark-Park变化；

6）假如θ接近或处于临界区域，则后续控制周期PWM波形需要进行移相或者填坑操作；

7）当Vδ处于第Ⅰ扇区时，令T2=Tsw；当Vδ处于第Ⅱ扇区时，令T4=Tsw；当Vδ处于第Ⅲ扇区时，令T1=Tsw；当Vδ处于第Ⅳ扇区时，令T2=Tsw；当Vδ处于第Ⅴ扇区时，令T4=Tsw；当Vδ处于第Ⅵ扇区时，令T1=Tsw；

8）若Tsw对于三相非零矢量一样，则根据上述第五步中的公式确定三相非零矢量以及零矢量的作用时间；若Tsw对于三相非零矢量不一样，则根据公式（7）的修改版、公式（8）的修改版、公式（9）的修改版，结合上述论证过程，对三相非零矢量以及零矢量的作用时间进行推算。

9）根据得到的作用时间和选择的矢量序列生成SVPWM波形，并将SVPWM波形对应更新到PWM产生计数器（timer）的比较寄存器中，用于下一控制周期的PWM输出。

基于上述实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，本发明提出了一种计算机可读存储介质。

在该实施例中，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法。

基于上述实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，本发明提出了一种电子设备。

图14是本发明实施例的电子设备的结构框图。

如图14所示，电子设备500包括：处理器501和存储器503。其中，处理器501和存储器503相连，如通过总线502相连。可选地，电子设备500还可以包括收发器504。需要说明的是，实际应用中收发器504不限于一个，该电子设备500的结构并不构成对本发明实施例的限定。

处理器501可以是CPU（Central Processing Unit，中央处理器），通用处理器，DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器），ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路），FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框、模块和电路。处理器501也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

总线502可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线502可以是PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）总线或EISA（ExtendedIndustry Standard Architecture，扩展工业标准结构）总线等。总线502可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图14中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器503用于存储与本发明上述实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法对应的计算机程序，该计算机程序由处理器501来控制执行。处理器501用于执行存储器503中存储的计算机程序，以实现前述方法实施例所示的内容。

其中，电子设备500包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA（个人数字助理）、PAD（平板电脑）、PMP（便携式多媒体播放器）、车载终端等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图14示出的电子设备500仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

综上，本发明实施例的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法、存储介质和设备，在当前控制周期的PWM输出过程中，利用单电阻采样方案得到电机的三相电流，并可基于基尔霍夫定律对三相电流的安全校验，校验过程无需额外增加放大器和ADC，成本低。在校验通过后，根据三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ，进而根据Vα和Vβ确定由电机三相电压叠加得到的参考合成矢量所在的目标扇区；利用两个零矢量和目标扇区对应的三个非零矢量对进行矢量合成，并确定用于合成的每个矢量的作用时间，之后按照预设规则和作用时间生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出，该过程中通过三扇区的划分和矢量合成，可消除一半扇区与扇区之间的临界区域，更方便电机控制算法实现。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，采样电阻连接在电机逆变器直流侧的一端及其对应的供电端口之间，所述方法包括：

在当前控制周期的PWM输出过程中，利用所述采样电阻进行三次电流采样得到所述电机的三相电流，并根据所述三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ；

根据Vα和Vβ确定由所述电机的三相电压矢量叠加得到的参考合成矢量所在电压矢量空间的目标扇区；

利用两个零矢量和所述目标扇区对应的三个非零矢量对进行SVPWM矢量合成，并确定用于合成的每个矢量的作用时间；

按照预设规则和所述作用时间得到目标矢量序列，并根据所述目标矢量序列生成SVPWM波形，以用于下一控制周期的PWM输出，其中，所述目标矢量序列为五段式矢量序列、七段式矢量序列或九段式矢量序列；

所述目标扇区为第一扇区，所述第一扇区由所述电压矢量空间的扇区Ⅰ、Ⅱ组成；通过下式对进行SVPWM矢量合成：

，

其中，表示控制周期，表示非零矢量V4的作用时间，6表示非零矢量V6的作用时间，T2表示非零矢量V2的作用时间，T0表示零矢量V0的作用时间，T7表示零矢量V7的作用时间；

定义开关函数Sx，x=a、b、c，Sx=1，表示x相上桥臂导通，Sx=0，表示x相下桥臂导通；所述预设规则包括如下三者：

规则一：零矢量均匀设置在起始阶段与结束阶段，

规则二：每次状态切换时，有一相桥臂的开关动作，

规则三：矢量序列的段数为预设值；

2.根据权利要求1所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用基尔霍夫定律对所述三相电流进行安全验证；

若验证通过，则执行所述根据所述三相电流得到在两相静止坐标系下的电压矢量Vα和Vβ的步骤；

若验证未通过，则停止当前控制周期的PWM输出，并结束SVPWM波形的产生流程。

3.根据权利要求1所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，Tsw对于T2、T4、T6一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

4.根据权利要求1所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，Tsw对于T2、T4、T6不一致，T2、T4、T6满足如下约束条件：

，

5.根据权利要求3所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，所述确定用于合成的每个矢量的作用时间，包括：

若处于所述扇区Ⅰ，则确定T2=Tsw，，；

若处于所述扇区Ⅱ，则确定T4=Tsw，，；

其中，，或者，，，或者，，。

6.根据权利要求1所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法，其特征在于，所述方法还包括：

当确定转子位置θ接近或处于临界区域时，对待产生的SVPWM波形进行移相或者填坑操作。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求1-6中任一项所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现根据权利要求1-6中任一项所述的基于电机单电阻采样的SVPWM波形产生方法。