专利名称：用于电力变换器的脉宽调制控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对牵引逆变器(traction inverter)、电源变换器之类的电力变换器进行脉宽调制控制的系统，更确切地说，涉及一种在开关频率与逆变器工作频率之比值较低时能够使逆变器运行而不在电压和电流中产生低频脉动的用于电力变换的脉宽调制控制系统。
在已采用的脉宽调制控制方法中，有一种次谐波(sub harmonic)方法，这种方法中，通过将具有恒定频率的连续三角波的载波信号与逆变器输出指令值比较产生驱动逆变器的脉宽调制脉冲。此外，可以将脉宽调制方法粗略地划分成异步脉宽控制方法和同步脉宽调制方法，这些方法将在下文中描述。
在异步脉宽调制控制中，当三角波载波的频率(下文中称为“载波频率”)与指令值频率相比足够高时，则载波频率固定在一恒定值上，并且只有指令值频率是变化的。例如，美国专利5,467,262中揭示了这样的异步脉宽调制控制。
在异步脉宽调制控制中，当载波频率比较靠近指令值的频率时，总是将载波频率设定成该指令值频率的整数倍。这时，载波频率和载波频率对指令值频率之比是按照指令值的频率变化的。
在异步脉宽调制控制下，要求载波频率比指令值频率足够高，并且总的说来要求载波频率对指令值频率之比大于约15。当比值小于该值时，低次谐波增加并产生分数谐波(fractioanl order harmonic)。因此，电流脉动变大，而需要大容量的开关元件。除此之外，在驱动电机时，会发生转矩的脉动。
尽管这一问题可以通过将载波频率设定成足够高的值来解决，但出现的另一个问题是开关损耗增大，因而逆变器的效率下降。另外，对于大容量的逆变器，对合用的开关元件也有限制，因而实际上不能将载波频率设置的太高。
另一方面，在同步脉宽调制控制的情况下，即使在载波频率较低时，也能将谐波抑制到某种程度，并可以防止分数谐波的出现。然而，要求载波频率和脉冲数按照指令值频率(由载波频率对指令值的频率之比来决定)来切换，这样就产生一个问题，即控制变得复杂，会出现由脉冲数切换所伴随的脉动(切换冲击switching shock)。
除此之外，当对电气车辆或电梯采用同步脉宽调制控制时，乘客会由于磁噪声所产生的声响而感到不舒服。
本发明的目的是提供一种异步脉宽调制控制系统，它能够防止即使开关频率对逆变器的工作频率之比较小时而出现的低次谐波增大和出现分数级谐波。
本发明以一种脉宽调制控制系统为特征，在该系统中，通过将来自指令值产生装置的指令信号与具有恒定周期的连续三角波的载波信号比较，来计算驱动组成电力变换器的半导体元件的脉宽调制脉冲。该系统包含分开计算来自指令值产生装置的指令信号的指令值和脉宽调制脉冲的时间积并计算二时间积之间的差值的装置，脉宽调制脉冲是由对来自指令值产生装置的指令信号的差值而计算得到的。
按照本发明，因为通过把指令值的时间积和对该指令值的脉宽调制的时间积之间的差加至指令值而使输出脉冲宽度之和与指令值之和一致，所以可以防止正脉冲宽度与负脉冲宽度之间出现不平衡，并且可以防止低次谐波和分数谐波的产生。
图1是按照本发明一个实施例的结构方框图。
图2是说明产生由本发明来解决的问题的原因的曲线图。
图3是说明本发明运行的曲线图。
图4是说明本发明用于离散时间系统时运行的曲线图。
图5是说明感应电机由现有技术的脉宽调制和按照本发明的脉宽调制来驱动的模拟结果举例的曲线图。
下面参照图1所示的逆变器控制系统，详细描述本发明的实施例。在指令值产生单元1中，产生逆变器4的输出电压指令值vr。脉冲补偿单元6中，根据指令值产生单元1的输出vr输出信号vref。脉宽调制脉冲产生单元2接收脉冲补偿单元6的输出信号vref，并相应于信号vref产生脉宽调制脉冲vp。接着，逆变器控制系统与逆变器4相连，逆变器4根据脉宽调制信号vp，通过驱动组成逆变器的开关元件，从直流电输出交流电，而负载5(如一电动机)连接在逆变器系统的交流输出侧。
脉宽调制脉冲产生单元2的输出信号vp反馈到单元6。单元2是人们熟知的脉宽调制脉冲产生单元，它用比较器22通过将从三角波产生单元输出的具有恒定周期的连续三角波载波信号与信号vref比较来产生脉宽调制脉冲vp。
本发明的特征是，脉冲补偿单元6由计算输入到脉宽调制脉冲产生单元的信号vref和脉宽调制脉冲的输出vp之差的减法器63、对于三角波产生单元输出的每半个三角波周期计算从减法器63输出的平均值ve的平均值计算单元和将平均值计算单元的输出ve加到指令值vr以输出信号vref的加法器62。
下面参照图2和图3描述按照本发明的脉冲补偿方法的操作。为了便于读者理解，下面采用普通的三角波比较方法作为例子进行描述。逆变器指令值vr和三角波vt示于图2(a)，脉宽调制脉冲产生单元的输出vp示于图2(b)，vp在三角波半个周期上的平均值(时间积)示于图2(c)，三角波半个周期的指令值vr的平均值(时间积)示于图2(d)，vr平均值和vp平均值之差示于图2(e)。符号Δt是三角波的半个周期，并且Δt＝1/2fc，这里，fc是三角波的频率。
下面参照图2描述在异步脉宽调制中产生低次谐波和分数谐波的原理以及抑制低次谐波和分数谐波的脉冲补偿方法。
如果在Δt中被调制波的平均值准确地反映在脉宽调制的输出脉冲vp上，那么就不能产生低次谐波和分数谐波。但是，如图2中所示，调制波的平均值和反映在脉宽调制脉冲上的电压vp不是总是一致的。结果，在调制波平均值和反映在脉宽调制脉冲上的电压之间产生了差值ve，从而引起低次谐波和分数谐波以及低频脉动电流。
本发明中，为了抑制低次谐波和分数谐波的出现，引入脉冲补偿单元6。在脉冲补偿单元6中计算电压ve和指令值之差，并由平均值计算单元61计算该差值在三角波半个周期Δt内的时间平均ve，并将结果加至指令值vr。
这里，标号62是加法器，63是减法器。
所以，如图3中所示，把在产生差值ve的脉冲计算周期后的下一个脉冲计算周期中的指令值设定为vr+ve。结果，在脉冲计算单元2的输出vp中产生反映脉冲的ve。因而，电压中的差值ve一定会在产生差值ve的计算周期后的下一个计算周期中输出。如果由于根据vr+ve而要产生的脉冲大于可产生的最大脉冲或小于可产生的最小脉冲而不能获得要产生的脉冲，则补偿中的缺额就反映在再下一个脉冲上。所以，即使在这样的情况下，仍然可以恰当补偿ve。
如上所述，通过重复计算指令值和输出脉冲之间的差值的平均值并将差值的平均值加到下一个脉冲计算周期中的指令值vr上，使得当经过几个脉冲计算周期的计算以后，指令值的平均值和输出脉冲的平均值一致，并且它们之间的差值变为零。即，可以消除具有长周期并引起低频脉动电流的低次谐波分量和分数级谐波分量。
这样，低频脉动的出现得以抑制。并且，如果必要，通过将指令值和脉宽调制脉冲之间的差值的平均值ve乘以放大系数并将计算结果加到指令值上来计算脉宽调制脉冲。另外，当该指令信号是一个周期函数(如正弦波函数或三角波函数)的时候，通过事先准备一个对指令信号进行积分的函数并用该被积分的函数得到该指令值的平均电压来容易地计算指令值的平均电压。
下面描述用离散时间系统(如软件或数字电路)来使图1所示实施例中的系统运行。图4中，与图2中对应的信号和标记用相同的标记符号来表示。在离散时间系统的情况下，不可能连续监视指令值，并且当脉宽调制脉冲vp是用软件计算的时候，不是通过直接比较如图2中所示的指令值和三角波来计算脉宽调制脉冲的。尽管指令值vr和三角波在图4中是绘制在一起的，但三角波是一假想波，而指令值是在与三角波半个周期对应的时间Δt中取样的(图中，空心圆表示取样点)。脉宽调制脉冲vp是根据取样值的大小计算的。
本方法中，当取样数与指令值的频率相比变小时(当指令值的频率变大时)，与连续时间系统的情况相比，指令值vr和vp的平均值之间的差值ve变大。所以，在离散时间系统中，产生较大的低次谐波和较大的分数谐波，并且电流中的脉动也变大。当指令值vr是一个周期函数(例如一正弦波函数)时，可以如上所述，即便是在离散时间系统中通过事先准备一个指令值的被积分的函数也可容易而准确地获得指令值vr的平均值。通过从指令值vr的平均值中减去vp的平均值，可以类似于在连续时间系统中那样计算差值ve并补偿脉冲。这样，可以防止低次谐波和分数级谐波的出现。如上所述，离散时间系统中的脉动比连续时间系统中的脉动大。所以，在离散时间系统中可以更清楚地看到本发明的效果。
图5描述的是由异步脉宽调制驱动具有以感应电动机作为负载的电力变换器的模拟结果。逆变器由现有技术控制和由本发明的脉宽调制控制。为了清楚地描述本发明与现有技术对比的效果，载波频率对指令的频率之比为7.8，比10小。图5(a)描述的是没有脉冲补偿的情况。因为在脉冲计算周期内指令值的平均值之间存在差值，所以出现低频(分数谐波)脉动。另一方面，按照本发明，在图5(b)中所示的电流中没有低频脉动，这示出了本发明的效果。
对于离散时间系统，与连续时间系统相同人们已经采用电压差值的平均值来进行脉冲补偿。在离散系统的情况下，特别是在用软件产生脉宽调制脉冲的情况下，大多数方法采用一种结构，即根据vr计算脉冲从ON改变到OFF或从OFF改变到ON的时间，然后根据这一时间改变脉冲的状态。这样，通过把由ve变换成脉冲改变时间而决定的时间加到仅由vr决定的脉冲改变时间上，然后用该脉冲产生时间产生脉宽调制脉冲，也可以获得与用电压差值的平均值进行脉冲补偿相同的效果。
尽管上述实施例是用逆变器作为例子来描述的，但不用说，本发明也可以应用于将交流电变换成直流电的变换器。
按照本发明，可以提供一种异步脉宽调制控制系统，该系统即使在低载波频率下也能避免低次谐波和分数谐波的产生。
另外，采用本发明还可以降低电力变换器的开关频率。所以，可以提高电力变换器的效率，并且同时可以使系统的尺寸减小，重量减轻。
权利要求
1.一种用于电力变换器的脉宽调制控制系统，其特征在于，用来驱动组成电力变换器的半导体元件的脉宽调制脉冲是通过将来自指令值产生装置的指令信号与具有恒定周期的连续三角波的载波信号进行比较来计算的，所述系统包含分开计算来自所述指令值产生装置的所述指令信号指令值和所述脉宽调制脉冲的时间积并计算两时间积之间的差值的装置，由对来自所述指令值产生装置的所述指令信号的差值计算所述脉宽调制脉冲。
2.一种用于电力变换器的脉宽调制控制系统，其特征在于，用来驱动组成电力变换器的半导体元件的脉宽调制脉冲是通过每一预定时间间隔俘获来自指令值产生装置的指令信号并计算具有对应于所述指令信号大小的宽度的脉冲即脉宽调制脉冲而算得的，所述系统包含分开计算来自所述指令值产生装置的所述指令信号指令值和所述脉宽调制脉冲的时间积并计算两时间积之间的差值的装置，由对来自所述指令值产生装置的所述指令信号的差值计算所述脉宽调制脉冲。
3.如权利要求1所述的脉宽调制控制系统，其特征在于，通过把用来计算所述脉宽调制脉冲的计算周期设置成所述三角波载波信号的半个周期、计算每一所述计算周期所述指令值的平均值和所述脉宽调制脉宽的平均值之间的差值并将所述差值加到下一个脉冲计算周期的指令值上而计算所述脉宽调制脉冲。
4.如权利要求2所述的脉宽调制控制系统，其特征在于，通过对计算所述脉宽调制脉冲的每个所述计算周期计算所述指令值的平均值与所述脉宽调制脉冲的平均值之间的差值并将所述差值加到下一个脉冲计算周期的所述指令值而计算所述脉宽调制脉冲。
5.如权利要求3和4所述的脉宽调制控制系统，其特征在于，当所述指令值是一个周期函数时，通过对所述周期函数进行积分而事先获得的函数计算所述指令值的平均值。
6.如权利要求1至5中任何一个权利要求所述的脉宽调制控制系统，其特征在于，通过将指令值的所述平均值与脉宽调制脉冲的所述平均值之间的差值乘以放大系数并将算得的结果加到所述指令值而计算所述脉宽调制脉冲。
全文摘要
一种用于电力变换器的脉宽调制控制系统，用来驱动组成电力变换器的半导体元件的脉宽调制脉冲是通过把来自指令值产生装置的指令信号与具有恒定周期的连续三角波的载波信号进行比较来计算的。该系统包含分开计算来自指令值产生装置的所述指令信号的指令值和脉宽调制脉冲的时间积并计算两时间积之间的差值的装置。由对来自所述指令值产生装置的指令信号的差值计算脉宽调制脉冲。
文档编号H02P27/04GK1162216SQ9710300
公开日1997年10月15日 申请日期1997年2月28日 优先权日1996年3月1日
发明者稻荷田聪, 仲田清, 安田高司, 铃目优人, 三宅互 申请人:株式会社日立制作所