一种基于梅森旋转算法的双随机SVPWM谐波抑制方法

一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法
技术领域
1.本发明属于脉冲宽度调制技术领域，涉及一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法。


背景技术：

2.在过去的几十年间，电力电子技术为人类社会的生产发展作出了卓越的贡献。在今天，电力电子技术仍然是国家长期发展战略中的重要方向。目前，由igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)和mosfet(metal
‑
oxide
‑
semiconductor field
‑
effect transistor，金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管)构成的逆变电路越来越广泛地应用在电力电子装置中，随着对装置更高频、高效、高功率密度的追求，电力电子技术对半导体开关器件提出了更高的要求。
3.pwm(pulse width modulation，脉宽调制)技术是应用最为广泛的电流变换技术。pwm技术导致的pwm谐波对逆变器系统性能具有显著的负面影响：一方面，pwm谐波会导致电机转矩波动，引入电磁振动、激发人耳可闻的电磁噪声，增加电机额外损耗、威胁系统的机械结构安全并限制逆变器系统的应用范围；另一方面，开关管调制过程中的电压突变会导致严重的电磁干扰，影响系统的容错能力。因此，削弱或者消除逆变器pwm谐波的负面影响一直都是三相电压源逆变器领域的研究重点。
4.pwm谐波伴随开关管的开关动作出现。对于三相两电平逆变器而言，通过每相桥臂开关的互补动作输出一组高电平为母线电压、低电平为零的方波序列。在稳定状态下这组方波序列与载波对调制波的采样点序列相对应，因此方波序列中含有调制波的信息。方波序列导致的pwm谐波是以pwm技术为基础的逆变器的基本特征。通过pwm技术抑制pwm谐波的基本原理是将某些频率的pwm谐波转移到其他频率附近，从而改变pwm谐波的频率分布，达到抑制pwm谐波的目的。
5.传统的pwm调制包括正弦波脉宽调制spwm(sine pulse width modulation)和空间矢量脉宽调制svpwm，两种方法都是固定的pwm调制，都会在电压的固定开关倍数次谐波产生较大的高次电流谐波，同时会产生明显的机械振动和电磁噪声，尤其是当开关频率在20khz及其以下时，会产生明显的高频噪声，对人的正常的生产生活带来巨大的影响。
6.传统电机控制中主要采用svpwm脉宽调制技术的逆变器，其输出电流中包含开关频率的倍频及其边频带的谐波，这类谐波具有高频、带宽窄的特性，会引起电机振动，产生窄带噪声，使人感到不适。
7.如果使用随机调制技术将随机变量引入到逆变器的控制单元，当开关信号随机变化时，根据统计通信原理，由该开关信号控制的功率器件，将改善集中在开关倍频谐波频谱的能量分布，分散谐波能量，使之具有更宽的带宽，从而达到减小谐波尖峰的目的。
8.随机svpwm大致可以分为随机开关频率svpwm、随机脉冲位置svpwm及随机零矢量svpwm三种控制方法。其中随机脉冲位置svpwm调制策略可分为对称随机脉冲位置和不对称随机脉冲位置，不对称随机脉冲位置svpwm调制方法在不改变pwm周期的基础上，可以改变
传统svpwm在一个周期内所固定的开关状态。随机开关频率svpwm控制方法是在占空比不变的条件下随机地改变载波频率以达到使开关频率随机化的目的。采用三角波作为载波时，就要先生成一组频率可随机改变的三角波,且该三角波的周期是随机改变的。
9.双随机svpwm控制技术是将随机开关频率svpwm控制和随机脉冲位置svpwm控制技术相结合的一种pwm控制方法。双随机调制技术能更好地减小离散谐波的幅值，使功率谱呈现出更加连续的功率谱密度(psd)特性，从而更好地抑制系统的谐波尖峰和存在于开关功率变换器中的传导电磁干扰。因此，研究在电机控制系统中双随机svpwm谐波抑制方法具有着重要的理论和实际意义。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法，解决了现有电机控制系统存在的谐波含量高、电磁干扰剧烈的问题。本发明所采用的技术方案是，一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法，具体包括如下步骤：
11.步骤1，在svpwm模型中通过mt19937梅森旋转算法生成[
‑
1,1]之间的随机数；
[0012]
步骤2，在步骤1的基础上，通过生成的随机数改变载波频率生成随机周期三角波模块，代替固定周期三角波模块实现随机开关频率svpwm控制；
[0013]
步骤3，通过步骤1生成的随机数实现随机脉冲位置svpwm调制，通过改变驱动脉冲信号实现随机脉冲位置svpwm控制，最后同时采用步骤2中的随机开关频率svpwm控制和步骤1中的随机脉冲位置svpwm控制实现双随机svpwm控制。
[0014]
本发明的特点还在于：
[0015]
步骤1的具体过程为：
[0016]
步骤1.1，采用电压矢量合成法实现svpwm；
[0017]
步骤1.2，采用梅森旋转算法生成随机数；
[0018]
步骤1.3，将步骤1.2的二进制32位随机数输出等比例压缩至[
‑
1,1]。
[0019]
步骤1.2的具体过程为：
[0020]
mt19937梅森旋转算法利用线性反馈移位寄存器生成二进制的32位随机数，整个算法的递推公式如式(1)所示：
[0021][0022]
其中，//表示位向量的串联；表示按位异或的数学符号；n表示递推公式的维数，或者递归长度；m表示区间(0，n]内的整数；a表示f2域上w
×
w阶常数矩阵；x
k
为二进制数表示的列向量；r为低位掩码，或者低位掩码提取的位数，r为[0，w)之间的整数，其中w＝32；w为长度，该算法是32位的mt算法，为x
k
前w
‑
r位；为x
k+1
的后r位。
[0023]
步骤1.3的具体过程为：
[0024]
步骤1.2输出的二进制32位随机数范围为0x00000000～0xffffffff；
[0025]
若令0x00000000对应
‑
1，令0xffffffff对应1，则0x7fffffff对应0，由此可以将步骤1.2得到的随机数转化为[
‑
1,1]间的随机数。
[0026]
步骤2的具体过程为：
[0027]
步骤2.1，采用如下公式(2)计算随机频率三角载波的随机序列f
s
：
[0028]
f
s
＝f
s0
+r
i
δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0029]
其中，r
i
是一个在[
‑
1,1]上均匀分布的随机数，中心频率f
s0
和频带δf是常数，所以f
s
是一个具有上限频率和下限频率的随机序列：
[0030]
步骤2.2，根据步骤2.1生成的随机频率三角载波序列f
s
，搭建随机频率三角载波模型，采用随机频率三角载波模型代替固定频率三角载波模型；
[0031]
步骤2.3，根据步骤2.2输出的随机频率三角载波与三相桥臂切换时间波形重叠，生成开关管驱动信号，实现随机开关频率svpwm控制。
[0032]
步骤2.2中，假设随机序列为x
n
，其中n＝1,2,3
……
；
[0033]
对随机频率三角载波模型输入的随机序列做如下处理，
[0034][0035]
即，若输入的是第奇数个n＝1,3,5
…
随机序列，则对这个随机序列不作处理，此随机序列位于[0,1]间；若输入的是第偶数个n＝2,4,6
…
随机序列，此随机序列位于[
‑
1,0]之间，通过公式(3)得到的随机序列x
n
′
是正负交替的随机序列，之后通过对此随机序列的连续两个正负常数进行积分形成三角波的前后沿，在每个三角波结束时通过变化积分系数来改变三角波的斜率，最终输出随机频率三角载波，代替传统的固定频率三角载波。
[0036]
步骤3的具体过程为：
[0037]
步骤3.1，根据步骤2.2得到的正负交替的随机数作为随机因子k1与k2，分别对零矢量t0与t7的作用时间和t0分别在前后半个周期的作用时间t
01
、t
02
进行随机化，从而对随机脉冲位置svpwm进行调制，控制逆变器开关管通断；
[0038]
步骤3.2，将步骤2实现的随机开关频率svpwm控制与步骤3.1实现的随机脉冲位置svpwm控制相结合，同时使用两种随机调制策略，双随机svpwm控制。
[0039]
本发明的有益效果是，本发明相较于传统的谐波抑制策略，由于梅森旋转算法能够生成周期长、随机效果更好的随机数，从而能够更加良好地抑制随机开关频率svpwm与随机脉冲位置svpwm的谐波尖峰，因此本发明在电机控制中能够明显地抑制谐波峰值，有效减小系统的电磁干扰，减轻电机振动。
附图说明
[0040]
图1是传统的svpwm控制框图。
[0041]
图2是本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法中建立的随机周期三角波模型；
[0042]
图3是本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法中随机脉冲位置svpwm调制波形图；
[0043]
图4是本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法的控制框图；
[0044]
图5是本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法中开关管驱动信号生成原理图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0046]
本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法，基于梅森旋转算法的双随机svpwm控制系统包括传统svpwm模型、随机频率三角波模型和随机脉冲位置模型三个部分。
[0047]
svpwm模型主要包括判断参考电压矢量u
out
所在扇区、时间参数(x、y、z)、相邻非零电压矢量的作用时间t1和t2、计算空间电压矢量切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
四个部分，如图1所示，图中，u
α
、u
β
为两相静止坐标系中α、β轴的电压分量，u
dc
为直流母线电压，t
sw
为开关周期，n为扇区号，x、y、z为时间参数，t1、t2为相邻非零电压矢量作用时间，t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
为三相桥臂切换时间，最终输出三相逆变器六个开关管的驱动信号。
[0048]
在传统的svpwm模型基础上，通过梅森旋转算法产生的[
‑
1,1]间的随机数分别送至随机周期三角波模型和随机脉冲位置模型中。在随机周期三角波模型内，根据输入的随机数生成正负相间的常数，通过对连续的两个正负常数进行积分形成三角波的前后沿，在每个三角波结束时(瞬时值最大)通过变化积分系数(选取下一组两个正负交替的随机数)来改变三角波的斜率，输出随机频率三角载波，将其与三相桥臂切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
波形重叠，生成开关管驱动信号控制逆变器开关管的通断，从而实现随机开关频率svpwm。
[0049]
为了实现随机脉冲位置svpwm控制方法，使用输入的随机数生成随机因子k1与k2，分别用以改变零矢量t0与t7的作用时间以及t0在前后半个周期的作用时间t
01
、t
02
。直接对控制开关管的驱动信号进行脉冲位置的偏移及脉冲宽度改变，最终实现随机脉冲位置svpwm。
[0050]
将采用了梅森旋转算法的随机开关频率svpwm控制方法和随机脉冲位置svpwm控制方法同时应用在电机控制中，即可实现本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法。
[0051]
步骤1：在svpwm模型中通过mt19937梅森旋转算法生成[
‑
1,1]之间的随机数。
[0052]
步骤1具体为：
[0053]
步骤1：在svpwm模型中通过mt19937梅森旋转算法生成[
‑
1,1]之间的随机数。
[0054]
步骤1.1：采用电压矢量合成法实现如图1所示的传统svpwm，具体实现步骤如下：
[0055]
1)判断电压空间矢量u
out
所在的扇区；
[0056]
判断电压空间矢量u
out
所在扇区的目的是确定本开关周期所使用的基本电压空间矢量。用u
α
、u
β
表示参考电压矢量u
out
在α、β轴上的分量，定义三个变量a、b、c，通过分析可以得出：
[0057]
①
若u
β
＞0，则a＝1，否则a＝0；
[0058]
②
若则b＝1，否则b＝0；
[0059]
③
若则c＝1，否则c＝0。
[0060]
由此得到扇区编号：n＝a+2b+4c,表1给出u
out
所在的扇区。
[0061]
表1 n与扇区的对应关系
[0062]
n315462扇区iiiiiiivvvi
[0063]
2)计算不同扇区中的两个相邻非零电压矢量的作用时间x、y、z；
[0064]
计算不同扇区中的两个相邻非零电压矢量的作用时间可借助x、y、z来计算，如式
(1)所示。
[0065][0066]
3)作用时间t1和t2[0067]
不同的扇区t1和t2的取值如表2。
[0068]
表2六个扇区矢量作用时间的分配表
[0069]
扇区号123456t1zy
‑
z
‑
xx
‑
yt2y
‑
xxz
‑
y
‑
z
[0070]
考虑饱和时间将t1、t2做一些调整得到t1’
、t2’
。调整规则：若t1+t2＞t
s
，则有
[0071][0072]
4)计算空间电压矢量切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
[0073]
定义
[0074][0075]
三相电压开关切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
与各扇区的关系如表3所示。
[0076]
表3各扇区切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
[0077]
扇区号123456t
cm1
t
b
t
a
t
a
t
c
t
c
t
b
t
cm2
t
a
t
c
t
b
t
b
t
a
t
c
t
cm3
t
c
t
b
t
c
t
a
t
b
t
a
[0078]
步骤1.2，采用梅森旋转算法生成32位二进制随机数；
[0079]
mt19937梅森旋转算法利用线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register,lfsr)生成随机数，整个算法的递推公式如式(4)所示：
[0080][0081]
其中，//表示位向量的串联(左侧为高位)；表示按位异或的数学符号；n表示递
推公式的维数，或者递归长度；m表示区间(0，n]内的整数；a表示f2域上w
×
w阶常数矩阵；x
k
为二进制数表示的列向量；r为低位掩码(隐藏在定义中)，或者低位掩码提取的位数，[0，w)之间的整数，其中w＝32；w为长度(隐藏在定义中，以bit为单位)，该算法是32位的mt算法，w＝32；为x
k
前w
‑
r位；为x
k+1
的后r位。
[0082]
编程实现该算法步骤共三步。首先，由一个已知种子初始化随机数生成器，求出梅森旋转链；其次，对旋转链执行旋转算法；最后，对旋转算法所得结果进行处理，最终产生一个二进制32位随机数。
[0083]
步骤1.3，将步骤1.2的二进制32位随机数输出等比例压缩至[
‑
1,1]。步骤1.2最终输出的二进制32位随机数，其范围为[0x00000000
‑
0xffffffff]。如果令0x00000000对应
‑
1，令0xffffffff对应1，则0x7fffffff对应0，由此可以将步骤1.2得到的随机数转化为[
‑
1,1]间的随机数。
[0084]
步骤2：在步骤1的基础上，通过生成的随机序列改变三角载波频率，实现随机频率三角载波，将其代替传统的固定周期三角载波，与三相桥臂切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
波形重叠，生成开关管的驱动信号，实现随机开关频率svpwm控制方法。随机频率三角波模块如图2所示，其中1/s为积分模块。
[0085]
步骤2.1：为了搭建随机频率三角载波，首先计算随机频率三角载波的随机序列f
s
；
[0086]
随机开关频率svpwm中，随机频率三角载波的随机序列f
s
表达式如式(8)所示：
[0087]
f
s
＝f
s0
+r
i
δf
ꢀꢀ
(5)；
[0088]
其中，r
i
是一个在[
‑
1,1]上均匀分布的随机数，中心频率f
s0
和频带δf是常数，所以f
s
是一个具有上限频率和下限频率的随机序列。
[0089]
步骤2.2：根据步骤2.1生成的随机频率三角载波序列f
s
，搭建随机频率三角载波模型，代替固定频率三角载波模型；
[0090]
本发明搭建了如图2所示的随机频率三角载波模型，该模型输入为步骤2.1生成的随机序列f
s
，输出为随机频率三角载波，δf为频带，f
s0
为中心频率，1/s为积分模块，该模型原理如下：
[0091]
首先对随机频率三角载波模型输入的随机序列做如下处理，
[0092][0093]
即，若输入的是第奇数个(n＝1,3,5
…
)随机序列，则对这个随机序列不作处理，此随机序列位于[0,1]间；若输入的是第偶数个(n＝2,4,6
…
)随机序列，输出它的相反数，此随机序列位于[
‑
1,0]间。通过公式(6)得到的随机序列x
n
是正负交替的随机序列，之后通过对此随机序列连续的两个正负常数进行积分形成三角波的前后沿，在每个三角波结束时(瞬时值最大)通过变化积分系数(选取下一组两个正负交替的随机序列)来改变三角波的斜率，最终输出随机频率三角载波，代替传统的固定频率三角载波。
[0094]
步骤2.3，根据步骤2.2输出的随机频率三角载波与三相桥臂切换时间波形重叠，生成开关管驱动信号，实现随机开关频率svpwm控制方法；
[0095]
基于步骤2.2得到随机频率三角载波波形，将其与图4中的三相桥臂切换时间t
cm1
、
t
cm2
、t
cm3
波形重叠，若t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
波形高于随机频率三角载波波形，则输出高电平，控制逆变器开关管导通；若t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
波形低于随机频率三角载波波形，则输出低电平。图5以a相桥臂切换时间t
cm1
波形为例，将其与随机频率三角载波波形重叠，输出逆变器a相桥臂上管驱动信号(a相桥臂上管驱动信号反向可以得到下管驱动信号，b、c相同理)。
[0096]
可以看到，随机频率三角载波波形频率不固定，其与a相桥臂切换时间t
cm1
波形相交处为开关管动作(开通状态切换为关断状态或关断状态切换为开通状态)时间点。当随机频率三角载波波形高于a相桥臂切换时间t
cm1
波形时，输出信号为高，此时a相桥臂上管开通下管关断；反之，输出信号为低，a相桥臂上管关断下管开通。b、c相同理。
[0097]
通过随机频率三角载波与三相桥臂切换时间波形重叠可以得到逆变器六个开关管的驱动信号，控制开关管的通断，实现随机开关频率svpwm控制方法。
[0098]
步骤3，在步骤2.2的基础上，通过生成的正负交替的随机序列x
n
′
作为随机因子k1与k2，分别用以改变零矢量t0与t7的作用时间以及t0在前后半个周期的作用时间t
01
、t
02
，据此得到随机脉冲位置svpwm调制方法，实现随机脉冲位置svpwm。
[0099]
步骤3.1：根据步骤2.2得到的正负交替的随机数作为随机因子k1与k2，分别对零矢量t0与t7的作用时间和t0分别在前后半个周期的作用时间t
01
、t
02
进行随机化，得到图3所示的随机脉冲位置svpwm调制波形，控制逆变器开关管通断；
[0100]
在传统svpwm中，t0与t7的作用时间为
[0101][0102]
其中，t
sw
为开关周期，t1、t2为相邻矢量先后作用时间，t0、t7为零矢量作用时间。通过引入步骤2.2中[0,1]间的随机序列x
n
(n＝1,3,5
…
)作为随机因子k1，随机分配零矢量t0与t7的作用时间，使得脉冲波形以开关周期中心线为对称轴随机移动，则t0与t7公式如下：
[0103]
t0＝k1×
(t
sw
‑
t1‑
t2)
ꢀꢀ
(8)；
[0104][0105]
在此基础上，引入步骤2.2中[
‑
1,0]间的随机序列
‑
x
n
(n＝2,4,6
…
)作为随机因子k2，随机改变t0的作用时间，使得脉冲波形中心线随机偏移开关周期中心线，则t0在前后半个周期的作用时间t
01
、t
02
公式如下：
[0106][0107][0108]
由式(8)、(9)、(10)、(11)得到的t0、t7、t
01
、t
02
与表2给出的t1、t2一同可以得到图3所示的随机脉冲位置svpwm调制波形图。通过使用代替传统svpwm控制中前后半个周期中的在满足t
01
+t
02
＝t0的基础上，仅随机分配t0与t7的大小而保持t1与t2大小不变，实现随机脉冲位置svpwm调制方法，从而控制a、b、c三相桥臂开关管的开通与关断，实现
随机脉冲位置svpwm控制。
[0109]
步骤3.2，将步骤2实现的随机开关频率svpwm控制方法与步骤3.1实现的随机脉冲位置svpwm控制方法相结合，同时使用两种随机调制策略，实现本发明所提出的一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制策略；
[0110]
首先，随机开关频率svpwm控制方法的核心是生成随机频率三角载波，将其与三相桥臂切换时间t
cm1
、t
cm2
、t
cm3
波形重叠，得到逆变器开关管驱动信号，如图5所示；根据步骤3.1中的随机脉冲位置svpwm，继续对逆变器开关管驱动信号进行脉冲位置的偏移及脉冲宽度改变，实现随机脉冲位置svpwm控制，最终同时实现随机开关频率svpwm与随机脉冲位置svpwm。如图4所示的双随机svpwm控制方法相较于图1的传统svpwm控制方法而言，最主要的区别在于随机数的生成及使用。双随机svpwm通过生成的随机数分别随机地改变三角载波的频率和脉冲位置，代替传统的固定频率三角载波及固定脉冲位置调制，从而分别实现随机开关频率svpwm控制方法及随机脉冲位置svpwm控制方法，将这两种随机方法同时应用在svpwm方法中即可实现双随机svpwm控制。
[0111]
本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法，相较于传统的谐波抑制策略，由于采用了梅森旋转算法作为随机数生成器，且采用了双随机svpwm控制方法，因此本发明一种基于梅森旋转算法的双随机svpwm谐波抑制方法在电机控制中能够明显抑制谐波峰值，有效减小系统的电磁干扰，减轻电机振动。
[0112]
本发明能够在开关频率频谱上得到一个较宽的频带，在谐波总含量不变的基础上，通过将开关频率处的谐波均匀分散在频带中，可以有效降低谐波峰值，减轻谐波对系统带来的干扰。