一种新的七段式的SVPWM调制方法转让专利
申请号 : CN201710766780.4
文献号 : CN107317506B
文献日 : 2020-03-27
发明人 : 侯典立
申请人 : 鲁东大学
摘要 :
本发明提出了一种新的七段式的SVPWM调制方法，所述调制方法的硬件实现包括电压检测模块、获取模块和控制模块，所述调制方法是在传统的七段式调制方法的基础上，通过对三相电压大小进行检测，在各相电压的最大最小值区间范围内对相应开关管进行关闭，在非最大最小值区间范围内采取传统的七段式调制方法。本发明的有益效果是：在七段式的基础上减少了开关次数，即减少开关损耗，而且在一定电压范围内关闭开关管可防止直通现象和逆向功率的产生。
权利要求 :
1.一种新的基于七段式的SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）调制方法，所述方法用于控制三相逆变器的三组桥臂a、b、c的开关管的通断，其特征在于：所述调制方法包括电压检测模块（11）、获取模块（12）和控制模块（13）；所述电压检测模块（11）用于检测三相电压u、v、w的大小，并且完成其大小的比较，确定三相电压中处于最大或最小电压值范围内的相电压；所述获取模块（12）用于获取开关控制信息，所述开关控制信息包括由电压检测模块（11）输出的相应开关管的控制信息和七段式调制方式对应的控制信息；所述控制模块（13）用于根据所述开关控制信息对所述桥臂的开关管的通断进行控制；在区间m-n范围u>v且u>w，u相电压为三相电压中最大的，AC端u相电压经a组下桥臂开关管流入DC负端，向DC端传输功率，在此区间内，电压检测模块（11）会向获取模块（12）输出关闭a组上桥臂开关管的控制信息，在区间o-p范围u
说明书 :
一种新的七段式的SVPWM调制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种PWM调制方法，尤其涉及一种新的七段式的SVPWM调制方法。
背景技术
[0002] 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）是一种比较新颖的控制方法，其原理是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹近似接近于圆形。与SPWM相比，SVPWM的谐波成分小，更易于实现数字化。
[0003] SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来实现。现有的SVPWM调制方法以减小开关次数为目标，在每次开关转换时，只改变其中一相的开关状态，并且对零矢量在时间上进行了平均分配，以使产生的PWM波对称，这样通过在不同区间内安排不同的开关切换顺序，多采用七段式或五段式空间矢量运算方法来实现。对于七段式，其触发波形对称，谐波含量较小，但是每个开关周期有6次开关切换，为了进一步减少开关次数，采用某相开关在每个扇区状态维持不变的序列安排，使得每个开关周期只有3次开关切换，即五段式调制方法，但是会增大谐波含量。
[0004] 如申请号为201511728362.7的发明提出了一种优化零矢量的SVPWM调制方法及装置，通过将第一扇区定义为五段式调制扇区，并根据中间控制时段的开关状态为零矢量对应的开关状态，其他控制时段的开关状态为所述第一扇区的基本电压空间矢量对应的开关状态，且每次开关状态的切换仅有一组桥臂的开关管的通断状态发生变化的开关控制信息，对桥臂的开关管的通断进行控制；降低了开关操作的频率和开关损耗。但是，这种方式不能避免上下两桥臂开关管出现直通现象，也不能防止逆向功率的产生。
[0005] 本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种新的七段式的SVPWM调制方法，不仅可以进一步减小开关次数，而且可以避免上下两桥臂开关管直通的现象和逆向功率的产生。
发明内容
[0006] 本发明针对现有技术存在的问题，在传统的七段式SVPWM调制方法的基础上，检测三相电压值的大小，根据检测结果结合七段式调制方法对三组桥臂开关管进行相应的控制，实现减小开关次数的同时，避免上下桥臂开关管直通和逆向功率现象的发生。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 一种新的七段式的SVPWM调制方法，其特征在于：以三相电压为基准，三相电流跟踪电压，以三相电压大小来确定所处扇区，当每一相电压处于最大最小值区间范围内采用五段式SVPWM，在非最大最小值区间范围内采取七段式调制方法；所述方法用于控制三相逆变器的三组桥臂的开关管的通断，其调制方法包括电压检测模块、获取模块和控制模块；所述电压检测模块用于检测三相电压的大小，并且完成其大小的比较，确定三相电压中处于最大或最小电压值范围内的相电压，根据电压检测模块的检测结果对相应桥臂组的开关管进行控制；所述获取模块用于获取开关控制信息，所述开关控制信息包括由电压检测模块输出的相应开关管的控制信息和七段式调制方式对应的控制信息；所述控制模块用于根据所述开关控制信息对所述桥臂的开关管的通断进行控制。
[0009] 所述的一种基于七段式的SVPWM调制方法，其特征在于：所述的对于三个桥臂开关管的导通和关断控制工作机理，以u相电压为例，在区间电压Uu>Uv且Uu>Uw范围内u相电压为三相电压中最大的，AC端u相电压经a组下桥臂开关管流入DC负端，经过上桥臂的反并联二极管向DC端传输功率，所以，在此区间内只有下桥臂的开关管有效工作，而上桥臂的开关管不需要导通；在区间电压UuUu>Uw两个范围内，以经典七段式调制方法控制a组开关管；同理，该控制原理用于v相和w相对应的b组和c组桥臂上下开关管的控制。
[0010] 在一些实施方式中，所述的三组桥臂开关管的控制信息，以u相电压为例，在区间m-n范围内u相电压为三相电压中最大的，AC端u相电压经a组下桥臂开关管流入DC负端，向DC端传输功率，所以，在此区间内，电压检测模块会向获取模块输出关闭a组上桥臂开关管的控制信息；在区间o-p范围内u相电压为三相电压中最小的，在此区间内，电压检测模块会向获取模块输出关闭a组下桥臂开关管的控制信息，即在这两个区间范围内，电压检测模块会输出对a组上下桥臂开关管的相应控制信息；在区间n-o和p-q范围内，以传统七段式调制方法控制a组开关管。同理，电压检测模块对v相电压和w相电压的大小检测会输出对b组和c组上下桥臂开关管的相应控制信息。
[0011] 其中，所述的开关管控制信息与三相电压大小的关系为：u>v且u>w时，a组上桥臂开关管关断，uu且v>w时，b组上桥臂开关管关断，vu且w>v时，c组上桥臂开关管关断，w
[0012] 本发明所述调制方法不仅适用于AC-DC，同样也适用于DC-AC三相逆变器。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] 传统的七段式调制方法，其触发波形对称，谐波含量小，但是每个开关周期有6次开关切换，开关损耗较大，可靠性相对较低；而五段式调制方法虽在七段式方法的基础上减小了开关次数，开关损耗较小，而且可靠性较高，但是会使谐波含量增大。相对于现有的五段式和七段式的SVPWM调制方法，本发明提出的方法，通过检测各相电压的大小，使相应开关管在某时间段内处于导通或关断的状态，从而进一步减小了开关次数，使开关损耗更低；同时，对于上下桥臂两开关管，其中有一个开关管处于关断状态，可以避免上下桥臂出现直通现象；本方法中，当检测输入端电压较大时会输出关断上桥臂开关管的控制信息，因此不会发生逆向功率的现象。综上所述，本发明方法的可靠性相对较高。
附图说明
[0015] 图1为本发明方法AC-DC控制过程示意图；
[0016] 图2为本发明方法DC-AC控制过程示意图；
[0017] 图3为u相电压空间矢量不同控制时段对应扇区示意图；
[0018] 图4为v相电压空间矢量不同控制时段对应扇区示意图；
[0019] 图5为w相电压空间矢量不同控制时段对应扇区示意图;
[0020] 图6为三相电压波形分析图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明做近一步详细说明：
[0022] 图1为本发明方法AC-DC控制实例过程示意图，图2为本发明方法DC-AC控制实例过程示意图，即本发明方法不仅适用于图1所示的AC-DC转换过程，同样适用于图2所示的DC-AC转换过程。如两图中所示，各控制模块与其功能都相同，包括电压检测模块11、获取模块12、控制模块13和三相桥电路。
[0023] 电压检测模块11用于检测u、v、w三相电压的大小，并且完成其大小的比较，确定三相电压中处于最大或最小电压值范围内的相电压，根据电压检测模块的检测结果对相应桥臂的开关管进行控制；获取模块12用于获取开关控制信息，所述开关控制信息包括由电压检测模块输出的相应开关管的控制信息和七段式调制方式对应的控制信息；控制模块13用于根据所述开关控制信息对所述桥臂的开关管的通断进行控制。
[0024] 图3为u相电压空间矢量不同控制时段对应扇区示意图，如图中所示，在现有技术中，定义开关量a，b，c和a’，b’，c’表示6个功率开关管的开关状态，当a，b或c为1时，逆变桥的上桥臂开关管导通，其下桥臂开关管关断（即a’，b’或c’为0）；反之，当a，b或c为0时，逆变桥的上桥臂开关管关断，其下桥臂开关管导通（即a’，b’或c’为1）。由于同一桥臂上下开关管不能同时导通，则上述开关管组态一共有8种，对于不同的开关状态组合，可以得到8个基本电压空间矢量，有两个零电压空间矢量，6个非零电压空间矢量，将8种组合的基本电压矢量映射到复平面上，即如图所示。在本发明中，图2所示的u相电压空间矢量不同控制时段对应扇区，其中，0度线位置对应a组开关管的占空比为50%，即其平均值为0，对应图6中u相电压的起始0度位置，扇区1为u相电压处于最大值的范围，对应图6中m-n区间；扇区2为u相电压处于最小值的范围，对应图6中o-p区间，这两个扇区范围内，通过电压检测模块11检测出处于最大或最小值范围的u相电压，从而控制相应a组开关管的导通或关断。扇区3和4对应图6中n-o和p-q区间，即为a组开关管的七段式调制扇区。
[0025] 图4，图5分别为v相电压和w相电压空间矢量不同控制时段对应扇区示意图，与图3不同的是0度线的位置和各控制扇区的分布，但其原理相同，而且各控制扇区的分布均以0度线为基础与图3类似。其中，图4所示0度线位置对应b组开关管的占空比为50%，即其平均值为0，对应图6中v相电压的起始0度位置，扇区41为v相电压处于最大值的范围，对应图6中n-s区间；扇区42为v相电压处于最小值的范围，对应图6中p-t区间，这两个扇区范围内，通过电压检测模块11检测出处于最大或最小值范围的v相电压，从而控制相应b组开关管的导通或关断。扇区43和44对应图6中s-p和n-r区间，即为b组开关管的七段式调制扇区。图5所示0度线位置对应c组开关管的占空比为50%，即其平均值为0，对应图6中w相电压的起始0度位置，扇区51为w相电压处于最大值的范围，对应图6中s-q区间；扇区52为w相电压处于最小值的范围，对应图6中r-o区间，这两个扇区范围内，通过电压检测模块11检测出处于最大或最小值范围的w相电压，从而控制相应c组开关管的导通或关断。扇区53和54对应图6中q-t和o-s区间，即为c组开关管的七段式调制扇区。
[0026] 图6为三相电压分析波形图，从波形图可以看出，以u相电压为例，m-n区间范围内u相电压最大，通过图1所示电压检测模块11检测出u相电压最大后向获取模块12传输关闭a组上桥臂开关管的控制信息，o-p区间范围内u相电压最小，通过图1，2所示电压检测模块11检测出u相电压最小后向获取模块12传输关闭a组下桥臂开关管的控制信号，n-o区间范围和p-q区间范围内，以传统七段式调制方法控制a组开关管；同理，以v相和w相的检测结果分别控制b组和c组开关管。
[0027] 即三组桥臂开关管的控制和三相电压大小的关系为：
[0028] u>v且u>w时，a组上桥臂开关管关断，上桥臂的反并联二极管工作；u
[0029] v>u且v>w时，b组上桥臂开关管关断，上桥臂的反并联二极管工作；v
[0030] w>u且w>v时，c组上桥臂开关管关断，上桥臂的反并联二极管工作；w
[0031] 分析可知，一个周期内，在每30度不同时间段，三组桥臂开关管的控制方式不同，分别为：
[0032] 时间段5范围内，a组上桥臂开关管关断，b组下桥臂开关管关闭，c组开关管以传统七段式调制方式控制 ；时间段6范围内，a组上桥臂开关管关断，b组开关管以传统七段式调制方式控制，c组下桥臂开关管关闭；时间段7范围内，a组开关管以传统七段式调制方式控制，b组上桥臂开关管关断，c组下桥臂开关管关闭；时间段8范围内，a组下桥臂开关管关闭，b组上桥臂开关管关断，c组开关管以传统七段式调制方式控制；时间段9范围内，a组下桥臂开关管关闭，b组开关管以传统七段式调制方式控制，c组上桥臂开关管关断；时间段10范围内，a组开关管以传统七段式调制方式控制，b组下桥臂开关管关闭，c组上桥臂开关管关断。