专利名称：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。
技术背景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，空何矢量调制方法往往会消耗大量计算对间，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 Kl和K2串联组成，开关管Kl的阳极连接到直流母线D，开关管Kl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Kl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O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l:计算扇区号在每一次调制过程中，首先根据三相参考电压" 、 [4 、 ^"计算扇区号》的取值。其中 [4n表示A相的参考电压；t/6"表示B相的参考电压；[^表示C相的参考电压，[/6 、[/c 可以通过采集三相交流电压得到。如果f/。"大于""，再判断""是否大于f/OT，如果f/6。大于""，则s取1，如果C4"不大于" ，再判断f4n是否太于C4一如果仏 大于&，则S取6，.如凍C/加不大于"cn，则S取5;如果￡/。 不大于" ，再判断仏 是否大于仏 ，如果t^不大于C^，则s取4，如果" 大于"cn，再判断f/^是否大于C/c ，如果C4n大于[/m，则^取2，如果f/。"不大于f/c"，贝"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l，则修正量z取f^-C/。n;如果扇区号J等于2，则修正量Z取-f/cn;如果扇区号S等于3，则修正量Z取f^-""; 如果扇区号S等于4，则修正量Z取-[7^;如果扇区号S等于5，则修正量Z取L^-[^;如果扇区号s等于6，则修正量2取-" 。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"。"上得到A相参考电压的实际值C/。 ，，将修正量 z叠加到B相的参考电压" 上得到B相参考电压的实际值" ，，将修正量z叠加到C相 的参考电压f/c"上得到C相参考电压的实际值f/c '。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iV乘以A相参考电压的实际值(7。 '后再除以逆变器的直流输入电压C/rfc 得到比较寄存器W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W乘以 B相参考电压的实际值C^'后再除以逆变器的直流输入电压t/血得到比较寄存器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iV乘以C相参考电压的实际值仏 '后再 除以逆变器的直流输入电压t/血得到比较寄存器W的数值，t/。"'、 [/"、 " '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C/。"'、 [;'。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v/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v/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W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。
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iG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Pl控制开关管Kl, 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所示为本发明的空伺矢量调制方法框图，首先通过对三相参考电压"n，t^,[/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C/。"大于B相参考电压" ，再判 断B相参考电压C^是否大于C相参考电压"c"，如果f4"大于C/cn，贝Us取l，如果""不大 于"e ，再判断t/m是否大于如果t/^大于K"，则S取6,如果"。 不大于t4 ，则S取5;如果C/。"不大于" ，再判断" 是否大于t/c"，如果Uta不大于C/c ，则s取4，如果C/A 大于" ，再判断" 是否大于" ，如果f/。"大于^n，则S取2，如果f/。"不大于f/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&等于1，则2取％。-" ;如果s等于2，则1取:坑 ;如果s等于3， 则2取[/血-" ;如果s等于4，则z取-f/。"；如果s等于5，贝ijz取"c-t/c";如果s等于6， 则z取-仏 。然后将修正量z与f/。 相加得到仏 '，将修正量z与相加得到" ，，将修 正量^与仏 相加得到[4 '。最后用数字信号处理芯片.DSP中的定时器半周期最太沐数值iV乘以44n'后再除以f/rfc得到比较寄存器v/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AT乘以""' 后再除以t^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W乘以"c"'后再除以"e得到比较寄存器VJ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W，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W，则输出控制信号Pl使开关管 Kl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W ，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W，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" 、 " 、 K。 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C/。"大于B相参考电压" ，再判断B相参考电压" 是否大于C相参考 电压仏。，如果" 大于"c"，贝U s取1，如果" 不大于f/c ，再判断"。"是否大于C4 ，如果 C/。"大于C/oz，则s取6，如果C/。"不大于C/e ，则s取5;如果" 不大于" ，再判断" 是 否大于C4w，如果Ubn不大于[/c"，贝"取4，如果C/6"大于K",再判断t/。"是否大于t^，如 果C/。w大于"cn，则s取2，如果{/。 不大于则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 [/血表示逆变器的直流输入电压，C/。《表示A相参考电压、表示B相参考电压，[4 表示 C相参考电压。具体来说，如果扇区号j等于1，则修正量z取^fc-[;;如果扇区号s等于2， 则修正量z取-f;;如果扇区号s等于3，则修正量z取"血-C/w如果扇区号s等于4，则修正量Z取-仏"；如果扇区号J等于5，则修正量Z取f/血-[/en;如果扇区号X等于6，则修正量图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W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W的数值为W乘以A 相参考电压的实际俥C^，后再除以逆变器的直流输入电压"c， .B,相的比较寄存器v2的数值为W乘以B相参考电压的实际值C^'后再除以逆变器的直流输入电压f/化C相的比较寄存 器的数值为W乘以C相参考电压的实际值f/c。'后再除以逆变器的直流输入电压t/rfc。得到v/，v2,W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vJ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vL则输出控制信号，使开关管K1夷断，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W，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W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W，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。
权利要求
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Uan、Ubn、Ucn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。
2. 根据权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤l:计算扇区号在每一次调制过程中，首先根据三相参考电压"w、[厶 、[;计算扇区号J的取值； 如果A相的参考电压t/^大于B相的参考电压^/6 ，再判断B相参考电压C/to是否大于C 相的参考电压C^，如果B相参考电压f^大于C相参考电压f/c ，则s取l，如果B相参考 电压fA"不大于C相参考电压f/c"，再判断A相参考电压f/。"是否大于C相参考电压f^，如 果A相参考电压"。 大于C相参考电压仏 ，则s取6，如果A相参考电压仏 不大于C相参 考电压C/w贝"取5;如果A相参考电压C/加不大于B相参考电压" ，再判断B相参考电 压""是否大于C相参考电压仏"，如果B相参考电压(4n不大于C相参考电压f^，贝"取 4,如果B相参考电压C/to大于C相参考电压""，再判断A相参考电压t/。n是否大于C相参 考电压C^，如果A相参考电压C/。n大于C相参考电压C/c ，则s取2，如果A相参考电压 [/。n不大于C相参考电压C/c ，则s取3;步骤2:根据扇区号j的取值计算相应的修正量2采用的方式是根据扇区号^的不同执行不同的计算式；如果扇区号J等于1，则修正量z 取f/血-"w如果扇区号等于2，则修正量2取-[/";如果扇区号j等于3，则修正量z取如果扇区号S等于4，则修正量2取-(/。 :如果扇区号S等于5，则修正量Z取t/血-[/cn;如果扇区号s等于6,则修正量z取-^/6 ;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[/。 上得到A相参考电压的实际值f/。"，，将修正量 z叠加到B相的参考电压[/6 上得到B相参考电压的实际值，将修正量z叠加到C相 的参考电压t/^上得到C相参考电压的实际值C/^'。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W乘以A相参考电压的实际值[/。 '后再除以逆变器的直流输入电压C/rfc 得到比较寄存器v7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JV乘以 B相参考电压的实际值C^，后再除以逆变器的直流输入电压C4得到比较寄存器W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W乘以C相参考电压的实际值t^'后再 除以逆变器的直流输入电压C/血得到比较寄存器vS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v/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W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。
全文摘要
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<sub>an</sub>、U<sub>bn</sub>、U<sub>cn</sub>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。
文档编号H02M7/48GK101272104SQ20081010604
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者李建林, 许洪华, 斌 赵, 高志刚 申请人:中国科学院电工研究所;北京科诺伟业科技有限公司