一种基于BCPWM调制的相电流重构方法与装置与流程

本发明涉及电动机控制技术领域，特别是一种基于BCPWM调制的相电流重构方法与装置。

背景技术：

在高性能的变频控制系统中，电动机的相电流检测是一个关键的环节，直接影响到整个控制系统的性能。在对成本较注重的变频器调速民用产品中，电流的采样部件是系统成本中较重的负担，目前较常用到的电流采样方法为通过直流母线电流采样来检测获得电动机相电流。

在变频器的直流母线侧串联单个采样电阻R可以重构出三相电流，如图1所示。因为三相电流最终都会通过直流母线回到电网U_dc，因此，直流母线侧的电流准确反应出三相电流的变化。通过一定的控制技术可以重构出三相电流，即节省了成本又提高了可靠性。单电阻采样最大的问题在于扇区边界和低调制度，只能采到一个有效矢量，甚至一个都采不到。对于全区域的相电流重构问题，已经有很多学者对之进行了深入地研究，提出了多种有效的解决非可观测区相电流重构的方法和策略。其中，比较有代表性的方法为：采样修改法、周期外采样法以及PWM移相法。

采样修改法由于采用保持值代替不可测得电流值，不可避免地导致了重构电流波形一定程度上的失真；周期外采样法不用考虑电压矢量的空间位置，在任意时间都能够精确的对相电流完成重构，但因为存在PWM周期之外的采样脉冲，从而将不可避免地导致电机电流产生的高次谐波，造成电动机转矩产生高频波动；PWM移相法就是使用非对称PWM输出，尽管能够在一定程度上解决单电流采样技术在电动机上的应用问题，但在电动机低速控制时控制容易产生电压矢量失真较大，电流谐波增加量较大等问题，在实现对电动机三相电流全时刻、全范围进行重构上存在不足。

空间矢量PWM由于其具有调制指数高(比SPWM高15％)，易于数字化实现等特点，在三相逆变器的控制中得到广泛应用。由零矢量分配方式不同可以分为连续空间矢量PWM和不连续空间矢量PWM，其中BCPWM为不连续矢量PWM中某一相开关不动作的情况。BCPWM调制在高调制指数和过调制运行时，性能更好。BCPWM的零矢量分布在PWM周期的两端，不可观测区明显比SVPWM小，其常用的方法为PWM移相，输出非对称PWM波，图2是BCPWM采用移相法重构时的不可观测区图，其中(a)为扇区边界处图，(b)为低调制区图。由图2中可以看出，移相法并不能实现全区域的电流重构，而且会有谐波产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于BCPWM调制的相电流重构方法与装置，以实现全时刻全区域的相电流重构，采用BCPWM调制方式基本上保持各相占空比保持不变。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一方面，本发明提供一种基于BCPWM调制的相电流重构方法，采用BCPWM调制方式，在一个PWM周期内，根据电流采样情况进行如下处理：

若某一相电流无法采样时，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，并保持占空比不变，采样两相有效矢量对应的电流来重构三相电流；其中时间T_w为直流母线电流信号上升稳定时间与AD采样时采样转换时间之和；

若两个相电流均无法采样时，相邻两个PWM周期里，将时间为T_w的有效矢量轮流插入到A相和B相中，并保持占空比不变，采样每一个PWM周期中插入有效矢量的电流值而另一相电流保持为上一次的采样值，进行电流重构；

否则，直接进行相电流采样与重构。

另一方面，本发明提供一种基于BCPWM调制的相电流重构装置，所述装置包括BCPWM调制模块、PWM信号调节模块、直流电流采样模块和电流重构模块：

所述BCPWM调制模块，用于根据所述电动机的空间电压矢量计算BCPWM调制的占空比，将BCPWM调制后三相的占空比传送给所述PWM信号调节模块，还将有效矢量所在区域信号传送给电流重构模块；

所述PWM信号调节模块，用于根据获得的所述BCPWM调制的占空比以及预设的电流采样窗口时间T_w，计算每个PWM周期的上、下行半周期的PWM波形对应的两相比较点时间，并生成控制PWM逆变器的开关闭合或者断开的第一控制信号和控制直流电流采样模块对直流母线电流进行采样的第二控制信号，向所述电流重构模块发送相应的第一重构信号；

所述直流电流采样模块，用于根据接收的所述第二控制信号对直流母线电流进行采样，并将直流母线电流的采样值传送给所述电流重构模块；

所述电流重构模块，在BCPWM调制的开关周期内，当接收到所述第一重构信号时，根据PWM信号调节模块发送的有效矢量所在区域信号，以及所述直流电流采样模块发送的直流母线电流采样值，计算得到所述电动机的第三相电流。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用BCPWM调制方式工作，把一相电平箝位，开关器件不动作，每个PWM周期只有两组开关需要动作，有效的减少了开关次数；并且其零矢量都以V₁₁₁的形式全部插入PWM周期中间，能更大范围的实现固定矢量的插入，有效的减少重构电流带来的非观测区面积；(2)采用固定矢量插入法的电流重构方法，基本上不改变各相的占空比，克服了有效矢量作用时间较短时重构电流不准确带来的不利影响，改善了单电阻采样的性能，避免了矢量失真，可靠性大大增强。

附图说明

图1是单电阻采样相电流重构方法的变频器拓扑结构示意图。

图2是BCPWM采用移相法重构时的不可观测区图，其中(a)为扇区边界处图，(b)为低调制区图。

图3是本发明实施例的矢量插入及补偿后的BCPWM波形图，其中(a)为时的波形图，(b)为时的波形图，(c)为时的波形图，(d)为时的波形图。

图4是本发明实施例的基于BCPWM调制相电流重构方法的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1所示的单电阻采样相电流重构方法的变频器拓扑结构，本发明基于BCPWM调制的相电流重构方法，采用BCPWM调制方式，在一个PWM周期内，根据电流采样情况进行如下处理：

若某一相电流无法采样时，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，并保持占空比不变，采样两相有效矢量对应的电流来重构三相电流；其中时间T_w为直流母线电流信号上升稳定时间与AD采样时采样转换时间之和；

若两个相电流均无法采样时，相邻两个PWM周期里，将时间为T_w的有效矢量轮流插入到A相和B相中，并保持占空比不变，采样每一个PWM周期中插入有效矢量的电流值而另一相电流保持为上一次的采样值，进行电流重构；

否则，直接进行相电流采样与重构。

进一步地，所述BCPWM调制方式，即母线箝位PWM(BCPWM)调制方式，把一相电平箝位，开关器件不动作，每个载波周期只有两组开关需要动作。PWM逆变器的上桥臂导通用“0”表示，下桥臂导通用“1”表示；零矢量都以V₁₁₁的形式全部插入PWM载波周期中间，使得一个载波周期内只有两相开关动作，占空比最大的相PWM波在PWM周期内开关不动作。

进一步地，所述每个PWM周期的上行半周期的PWM波形，对应的两相比较点时间包括占空比较大相比较点时间T_max和占空比较小相比较点时间T_mid，其中T_max＞T_mid；对应的下行半周期PWM波形两相比较点时间包括占空比较大相比较点时间T′_max、占空比较小相比较点时间T′_mid，其中T′_max＜T′_mid；

有效矢量作用时间T₁、T₂分别为：所述T₁或T₂小于时间T_w时，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，则产生比较时间点T_x1、T_x2，其中T_s为开关周期。

进一步地，所述T₁或T₂小于时间T_w时，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，具体如下：

根据对应的两相比较点时间分别计算出两个有效矢量作用时间T₁、T₂，判断上行半周期有效矢量作用时间是否小于电流采样窗口时间T_w：

(A)若且

1)当时，将占空比较大的一相全部置高，并在该相加入T_w有效矢量，不需要占空比补偿，分别对满足采样要求的有效矢量对应的相电流进行采样，重构出三相电流；

2)当时，则在占空比较大的一相的中间位置插入时间为T_w的有效矢量，分别对满足采样要求的有效矢量对应的相电流进行采样，重构出三相电流；

(B)若且则在占空比较小的一相的中间位置插入时间为T_w的有效矢量，分别对满足采样要求的有效矢量对应的相电流进行采样，重构出三相电流；

(C)若且则在相邻两个PWM周期里，将时间为T_w的有效矢量轮流插入到A相和B相中，并对每一个PWM周期中插入有效矢量对应的相电流进行采样，而另一相电流保持为上一次的采样值，重构出三相电流。

进一步，所述T₁或T₂小于时间T_w时，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，同时对插入时间为T_w的有效矢量所对应相的PWM波进行占空比补偿，也就是分别在该相PWM波的高电平两端延伸

如图3所示，插入有效矢量后需要对插入有效矢量对应的相进行占空比补偿，也就是分别在该相PWM波的高电平两端增加的作用时间。图3中，(a)为时的波形图，(b)为时的波形图，(c)为时的波形图，(d)为时的波形图。

接着计算每个PWM周期内的两个电流采样点，需要判断有效矢量作用时间是否小于电流采样窗口时间T_w，可计算得到采样点T_sample1、T_sample2，具体如下：

(A)若且在T_sample1、T_sample2时刻进行采样，得到两相相电流可以计算出第三相相电流；

(B)若且在T_sample1、T_sample2时刻进行采样，得到两相相电流可以计算出第三相相电流；

(C)若且

1)当时，在T_sample1、T_sample2时刻进行采样，得到两相相电流可以计算出第三相相电流；

2)当时，在T_sample1、T_sample2时刻进行采样，得到两相相电流可以计算出第三相相电流；

(D)若且

(1)第一个PWM周期内，在A相的时刻采样电流的到i_a，另一相电流保持上次的采样值即i_b＝i_bold，计算得出第三相电流；

(2)第二个PWM周期内，在B相的时刻采样电流的到i_b，另一相电流保持上次的采样值即i_a＝i_aold，计算得出第三相电流；

如图4所示，本发明基于BCPWM调制的相电流重构装置，包括BCPWM调制模块、PWM信号调节模块、直流电流采样模块和电流重构模块。

所述BCPWM调制模块，用于根据所述电动机的空间电压矢量计算BCPWM调制的占空比，将BCPWM调制后三相的占空比传送给所述PWM信号调节模块，还将有效矢量所在区域信号传送给电流重构模块；

所述PWM信号调节模块，用于根据获得的所述BCPWM调制的占空比以及预设的电流采样窗口时间T_w，计算每个PWM周期的上、下行半周期的PWM波形对应的两相比较点时间，并生成控制PWM逆变器的开关闭合或者断开的第一控制信号和控制直流电流采样模块对直流母线电流进行采样的第二控制信号，向所述电流重构模块发送相应的第一重构信号；

所述直流电流采样模块，用于根据接收的所述第二控制信号对直流母线电流进行采样，并将直流母线电流的采样值传送给所述电流重构模块；

所述电流重构模块，在BCPWM调制的开关周期内，当接收到所述第一重构信号时，根据PWM信号调节模块发送的有效矢量所在区域信号，以及所述直流电流采样模块发送的直流母线电流采样值，计算得到所述电动机的第三相电流。

进一步地，所述PWM信号调节模块生成控制PWM逆变器开关闭合或者断开的第一控制信号：首先根据有效矢量的作用时间，判断是否需要插入有效矢量，若需要，则计算PWM周期内上、下行半周期插入有效矢量对应的两个比较点T_x1、T_x2和补偿后的两相比较点T_max1、T_mid1、T_max2、T_mid2；若不需要，则直接计算PWM周期内上、下行半周期的PWM波形对应的两相比较点T_max、T_mid、T_m'_ax、T_m'_id；具体如下：

有效矢量作用时间T₁、T₂分别为T_s为开关周期，T_w为直流母线电流信号上升稳定时间与AD采样时采样转换时间之和，则：

(A)若且

1)当时，

2)当时

(B)若且则在占空比较小的一相的中间位置插入时间为T_w的有效矢量，PWM周期内上行半周期比较点时间下行半周期比较点时间

(C)若且则在相邻两个PWM周期里，将时间为T_w的有效矢量轮流插入到A相和B相中，第一周期在A相插入矢量，则有第二周期在B相插入矢量，则有

根据上述判断计算得到的比较点时间T_max1、T_mid1、T_max2、T_mid2，将计算结果与三角载波比较输出PWM逆变器开关闭合或者断开的第一控制信号。

进一步地，所述PWM信号调节模块生成控制直流电流采样模块对直流母线电流进行采样的第二控制信号，具体为：

(A)若且第一采样点时间第二采样点时间

(B)若且第一采样点时间第二采样点时间

(C)若且

1)当时，第一采样点时间第二采样点时间

2)当时，第一采样点时间第二采样点时间

(D)若且

1)第一个PWM周期内，在A相的第二采样点时间采样电流得到i_a，另一相电流保持上次的采样值即i_b＝i_bold；

2)第二个PWM周期内，在B相的第一采样点时间采样电流得到i_b，另一相电流保持上次的采样值即i_a＝i_aold。

所述PWM信号调节模块将控制直流电流采样模块对直流母线电流进行采样的第二控制信号发送给直流电流采样模块。

进一步地，所述电流重构模块还包括判断计算单元，用于当接收到第一重构信号时，根据接收的两相采样电流、对应的有效矢量所在区域信息，选择相应的重构方式，计算得到第三相相电流，实现三相电流重构；

在需要插入有效矢量时，若某一相电流无法采样，在零矢量段中间插入时间为T_w的有效矢量，若直接把占空比较大的那一相的占空比变为1不进行占空比补偿，否则保持占空比不变，采样两相有效矢量对应的电流来重构三相电流；若两个相电流均无法采样，相邻两个PWM周期里，将时间为T_w的有效矢量轮流插入到A相和B相中，并保持占空比不变，采样每一个PWM周期中插入矢量的电流值，而另一相电流保持为上一次的采样值，进行电流重构；否则直接进行相电流采样与重构；具体为：

(A)若且根据接收的两相采样电流和对应的有效矢量所在区域可计算得第三相相电流，实现三相电流重构；

(B)若且根据接收的两相相电流和对应的有效矢量所在区域可以计算出第三相相电流，实现三相电流重构；

(C)若且根据接收的两相相电流和对应的有效矢量所在区域可以计算出第三相相电流，实现三相电流重构；

(D)若且

(1)第一个PWM周期内，在A相的时刻采样电流的到i_a，另一相电流保持上次的采样值即i_b＝i_bold，计算得出第三相电流；

(2)第二个PWM周期内，在B相的时刻采样电流的到i_b，另一相电流保持上次的采样值即i_a＝i_aold，计算得出第三相电流。

综上所述，本发明采用BCPWM调制方式基本上保持各相占空比保持不变，克服了有效矢量作用时间较短时，重构电流不准确带来的不利影响，尤其在低调制区时，避免了矢量失真，可靠性大大增强。