一种基于坐标的SVPWM调制方法

一种基于坐标的svpwm调制方法
技术领域
1.本发明涉及pwm技术领域，尤其是一种基于坐标的svpwm调制方法。


背景技术：

2.空间矢量脉宽调制技术(svpwm)是脉宽调制技术(pwm)中的一种，其原理是依据平均值等效原理，即在一个载波周期内通过控制逆变器开关的组合变化输出多个电压矢量使得在本周期结束时输出的平均值与目标量相等。等效的具体过程是：三相两电平逆变器能输出的非零矢量共有6个，这6个基本矢量将空间均分为6个扇区，某一时刻的目标矢量必定位于某个扇区中，则可以用构成这个扇区的两个基本矢量和零矢量来组合等效输出目标矢量，两个基本矢量及零矢量作用时间通过矢量分解、扇区判断等过程得到，然后将作用时间在一个周期内分两次施加，以此输出目标矢量的等效量，若目标矢量是沿着圆轨迹运动的，则等效矢量输出的三相电压接近于三相正弦波。此种输出方式相比spwm，对直流电源利用率更高，谐波更小，但算法较为复杂，程序化时工作量较大。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于坐标的svpwm调制方法，能够简化调制过程，使其更容易程序化实现。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于坐标的svpwm调制方法，包括如下步骤：
5.(1)根据相应系统结构得到同步旋转坐标系(dq旋转坐标系)下的目标电压矢量并做标幺化处理，将目标电压矢量转换到两相静止坐标系(αβ静止坐标系)下，根据代价函数选出2个基本矢量；
6.(2)根据三者几何关系利用坐标求解出占空比；
7.(3)根据占空比及基本矢量状态量调制输出svpwm信号。
8.优选的，步骤(1)中，相应系统结构包括pi调节器和模型控制器。
9.优选的，步骤(1)中，根据相应系统结构得到dq旋转坐标系下的目标电压矢量并做标幺化处理，将目标电压矢量转换到αβ静止坐标系下，根据代价函数选出2个基本矢量具体为：计算得到dq旋转坐标系下目标矢量并做标幺化处理后以坐标表示为(ud,uq)；
10.根据park反变换公式，将目标矢量转换到αβ静止坐标系下，坐标表示为(u
α
,u
β
)，park反变换公式如下：
[0011][0012]
其中θ为两坐标系夹角；
[0013]
以最小二乘法构建代价函数j(i)＝(u
α-u
α_i
)2+(u
β-u
β_i
)2(i＝0,1
…
5)，其中(u
α_i
,u
β_i
)为6个非零基本矢量的坐标，用代价函数选出最优的基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)；
[0014]
从最优矢量的相邻的两个非零基本矢量中选出第二优的基本矢量(u
α_best2
,uβ_best2
)。
[0015]
优选的，步骤(2)中，根据三者几何关系利用坐标求解出占空比具体为：以选出的最优二矢量为基本矢量合成目标矢量，其坐标关系如下：
[0016][0017]
由上式求出：
[0018][0019]
其中d1、d2、d3分别为零矢量(0,0)、基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的占空比。
[0020]
优选的，步骤(3)中，根据占空比及基本矢量状态量调制输出svpwm信号具体为：基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的开关状态分别为sw1＝(s
1a
,s
1b
,s
1c
)、sw2＝(s
2a
,s
2b,s2c
)(s
xy
＝0,1；x＝1,2；y＝a,b,c)；
[0021]
若以7段式svpwm方式发波则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：
[0022][0023]
若以5段式svpwm方式发波则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：
[0024][0025]
其中ts为svpwm载波周期。
[0026]
本发明的有益效果为：通过变换目标矢量到静止坐标系下，构建代价函数并通过代价函数选出合成目标矢量所需的基本矢量，过程中矢量都以坐标表示，然后通过将各矢量的几何关系转化为坐标之间的代数关系求解出合成所需的占空比，最后通过基本矢量对应的开关状态配合占空比输出svpwm信号，省略了扇区判断、矢量分解、占空比分扇区计算等过程，简化了svpwm调制过程，使其更容易程序化实现。
附图说明
[0027]
图1为本发明两电平三相逆变器结构示意图。
[0028]
图2为本发明两电平三相逆变器能输出的8个基本电压矢量及其空间位置图。
[0029]
图3为本发明矢量合成原理图。
[0030]
图4为本发明7段式svpwm发波原理图。
[0031]
图5为本发明5段式svpwm发波原理图。
具体实施方式
[0032]
如图1所示，三相两电平逆变器共有3个桥臂，6个开关管，因而共有23＝8种状态，对应8个基本电压矢量(其中2个零矢量[111]
t
,[000]
t
，6个非零矢量[100]
t
,[110]
t
[010]
t
,
[011]
t
[001]
t
,[101]
t
)，如图2所示；
[0033]
调制过程为，首先根据系统结构如pi/滑模控制器计算得到dq旋转坐标系下目标矢量，将目标矢量除以2u
dc
/3做标幺化处理，u
dc
为电源电压，然后将目标矢量以坐标表示为u
dq
＝(ud,uq)；
[0034]
再根据park反变换公式，将目标矢量转换到αβ静止坐标系下，坐标表示为u
αβ
＝(u
α
,u
β
)，park反变换公式如下：
[0035][0036]
其中θ为两坐标系夹角；
[0037]
再以最小二乘法构建代价函数j(i)＝(u
α-u
α_i
)2+(u
β-u
β_i
)2(i＝0,1
…
5)，其中(u
α_i
,u
β_i
)为6个非零基本矢量的坐标，用代价函数选出最优的基本矢量u
best1
＝(u
α_best1
,u
β_best1
)，由于目标矢量必定位于6个扇区之内，因此与最优矢量相隔最近的必定是构成同一个扇区的两个基本矢量，因此选出最优矢量作为第一个基本矢量后第二个基本矢量一定是跟这个最优矢量相近中的两个矢量中的一个，只需要从这两个是两种选出代价最小的一个即是第二个所需的基本矢量，u
best2
＝(u
α_best2
,u
β_best2
)。
[0038]
如图3所示，目标矢量与所选出的2个基本矢量在空间上有如图所示的关系，将各矢量以坐标表示后有代数关系式(u
α
,u
β
)＝d1(u
α_best1
,u
β_best1
)+d2(u
α_best2
,u
β_best2
)，由此可以解出：
[0039][0040]
其中d1、d2、d3分别为零矢量(0,0)、基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的占空比。
[0041]
假设在根据占空比及基本矢量状态量调制输出svpwm信号时基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的开关状态分别为sw1＝(s
1a
,s
1b
,s
1c
)、sw2＝(s
2a
,s
2b,s2c
)(s
xy
＝0,1；x＝1,2；y＝a,b,c)，则：
[0042]
若以7段式svpwm方式发波如图4所示，则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：
[0043][0044]
若以5段式svpwm方式发波如图5所示，则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：
[0045][0046]
其中ts为svpwm载波周期。最后将各个桥臂切换时间与载波进行比较即可输出svpwm信号。
[0047]
本发明通过变换目标矢量到静止坐标系下，构建代价函数并通过代价函数选出合
成目标矢量所需的基本矢量，过程中矢量都以坐标表示，然后通过将各矢量的几何关系转化为坐标之间的代数关系求解出合成所需的占空比，最后通过基本矢量对应的开关状态配合占空比输出svpwm信号，省略了扇区判断、矢量分解、占空比分扇区计算等过程，简化了svpwm调制过程，使其更容易程序化实现。

技术特征：
1.一种基于坐标的svpwm调制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据相应系统结构得到dq旋转坐标系下的目标电压矢量并做标幺化处理，将目标电压矢量转换到αβ静止坐标系下，根据代价函数选出2个基本矢量；(2)根据三者几何关系利用坐标求解出占空比；(3)根据占空比及基本矢量状态量调制输出svpwm信号。2.如权利要求1所述的基于坐标的svpwm调制方法，其特征在于，步骤(1)中，相应系统结构包括pi调节器和模型控制器。3.如权利要求1所述的基于坐标的svpwm调制方法，其特征在于，步骤(1)中，根据相应系统结构得到dq旋转坐标系下的目标电压矢量并做标幺化处理，将目标电压矢量转换到αβ静止坐标系下，根据代价函数选出2个基本矢量具体为：计算得到dq旋转坐标系下目标矢量并做标幺化处理后以坐标表示为(u
d
,u
q
)；根据park反变换公式，将目标矢量转换到αβ静止坐标系下，坐标表示为(u
α
,u
β
)，park反变换公式如下：其中θ为两坐标系夹角；以最小二乘法构建代价函数j(i)＝(u
α-u
α_i
)2+(u
β-u
β_i
)2(i＝0,1
…
5)，其中(u
α_i
,u
β_i
)为6个非零基本矢量的坐标，用代价函数选出最优的基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)；从最优矢量的相邻的两个非零基本矢量中选出第二优的基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)。4.如权利要求1所述的基于坐标的svpwm调制方法，其特征在于，步骤(2)中，根据三者几何关系利用坐标求解出占空比具体为：以选出的最优二矢量为基本矢量合成目标矢量，其坐标关系如下：由上式求出：其中d1、d2、d3分别为零矢量(0,0)、基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的占空比。5.如权利要求1所述的基于坐标的svpwm调制方法，其特征在于，步骤(3)中，根据占空比及基本矢量状态量调制输出svpwm信号具体为：基本矢量(u
α_best1
,u
β_best1
)、基本矢量(u
α_best2
,u
β_best2
)对应的开关状态分别为sw1＝(s
1a
,s
1b
,s
1c
)、sw2＝(s
2a
,s
2b
,s
2c
)(s
xy
＝0,1；x＝1,2；y＝a,b,c)；若以7段式svpwm方式发波则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：
若以5段式svpwm方式发波则三相桥a、b、c相开关管切换时间t
x
(x＝a,b,c)为：其中t
s
为svpwm载波周期。

技术总结
本发明公开了一种基于坐标的SVPWM调制方法，包括如下步骤：(1)根据相应系统结构得到dq旋转坐标系下的目标电压矢量并做标幺化处理，将目标电压矢量转换到αβ静止坐标系下，根据代价函数选出2个基本矢量；(2)根据三者几何关系利用坐标求解出占空比；(3)根据占空比及基本矢量状态量调制输出SVPWM信号。本发明通过变换目标矢量到静止坐标系下，构建代价函数并通过代价函数选出合成目标矢量所需的基本矢量，然后通过将各矢量的几何关系转化为坐标之间的代数关系求解出合成所需的占空比，最后通过基本矢量对应的开关状态配合占空比输出SVPWM信号，省略了扇区判断、矢量分解、占空比分扇区计算等过程，简化了SVPWM调制过程，使其更容易程序化实现。更容易程序化实现。更容易程序化实现。


技术研发人员：李有光 谭秀菲
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/4