一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法

摘要

本发明公开了一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法。根据三相桥式逆变器的输出范围，对给定实际大小的空间矢量进行标幺化处理；利用映射原理将给定的电压矢量投射到三相静止坐标系下；并利用零矢量叠加的方式，对三相电压占空比进行非负处理；当给定的电压矢量超过三相逆变器的非线性输出范围时，对三相电压进行等比例的缩小；等比例的叠加零矢量以实现标准的七段空间矢量脉冲宽度调制效果。本方法不需要扇区判断，程序实现方便，可读性高，并可以方便地实现改进的空间矢量脉冲宽度调制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间矢量脉冲宽度调制方法，特别是一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法。

背景技术

空间矢量脉冲宽度调制方法是三相电压型逆变器中常用的一种脉冲宽度调制方法，空间矢量脉冲宽度调制方法依据“伏秒等效”的原则，利用逆变器的6个非零矢量和2个零矢量来合成6个扇区内的任意电压矢量。

传统的空间矢量脉冲宽度调制方法首先要对电压矢量的扇区进行判断，然后将电压矢量分解到对应扇区的两个相邻的非零矢量上，之后再计算非零矢量的作用时间，并根据计算出的作用时间是否超过脉冲宽度调制方法的周期来设定零矢量。这种方法一方面需要进行扇区的判断，另一方面需要针对每个扇区计算不同的非零矢量的作用时间，使得整体方法较为复杂，而已有的程序实现方法可读性也较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法，解决传统计算方式实现复杂，可读性差的问题。

一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法的具体步骤为：

第一步 搭建空间矢量逆变系统

空间矢量逆变器系统，包括：直流电源，三相桥式逆变器，控制器、驱动电路和空间矢量模块。其中直流电源为蓄电池或超级电容，三相桥式逆变器由六个可控开关器件组成，空间矢量模块的功能为：根据输入的电压矢量计算三相桥式逆变器各相的占空比。其中直流电源的正负极与三相桥式逆变器直流母线的正负极相连，驱动电路的输出端与三相桥式逆变器的控制信号输入端相连，控制器的输出端与驱动电路的输入端相连，空间矢量模块置于控制器中。

第二步  空间矢量模块处理输入电压

空间矢量模块的输入电压矢量应基于两相静止坐标系（α，β），即给定的空间电压矢量表述为α，β轴的电压，分别为u_α0，u_β0。而三相桥式逆变器直流母线电压udc的0.866倍为三相桥式逆变器所能达到的最大线性调制范围，因此以其为基准对u_α0，u_β0进行标幺化处理。

u_α= u_α0/(0.866×udc)

u_β= u_β0/(0.866×udc)

其中，u_α，u_β分别为标幺化处理后的α，β轴给定电压矢量。

第三步 空间矢量模块映射变换α，β轴电压

根据映射原理，将u_α，u_β进行映射，使其变换到三相静止坐标系（a，b，c）下。具体地，空间矢量模块将u_α，u_β分别投射到三相静止坐标系（a，b，c）中的a，b两相，而c相电压为0。具体地

ua=u_α

ub=-0.5u_α﹢0.866u_β

uc=0

其中，ua，ub，uc分别为映射变换后的a，b，c三相的电压。

第四步 空间矢量模块非负处理a，b，c三相电压

当ua，ub，uc存在负值时，需要对其进行非负处理。由于叠加零矢量不会影响原空间矢量的实现，因此采取在各相电压值上叠加等量数值的方式进行非负处理。

具体地，空间矢量模块分别对a，b两相的电压值进行非负判断，首先进行初级非负处理，如果ua<0,则

ua0=ua-ua

ub0=ub-ua

uc0=uc-ua

其中，ua0，ub0，uc0为初级非负处理后的a，b，c三相电压。

进行进一步判断，如果ub0<0,则

ua1=ua0-ub0

ub1=ub0-ub0

uc1=uc0-ub0

其中，ua1，ub1，uc1为次级非负处理后的a，b，c三相电压。

经过两级非负处理之后，a，b，c三相的电压值均大于等于0。

第五步 空间矢量模块归一化处理a，b，c三相电压

当给定的电压矢量超出三相桥式逆变器的线性输出范围时，需要对ua1，ub1，uc1进行归一化处理。

具体地，空间矢量模块首先计算ua1，ub1，uc1中的最大值u_m1。

um1=max（ua1，ub1，uc1）

并判断um1是否大于1,如果um1>1则说明给定的电压矢量超出了三相桥式逆变器的线性输出范围，需要对ua1，ub1，uc1进行等比例缩小,即

ua2=ua1/um1

ub2=ub1/um1

uc2=uc1/um1

其中，ua2，ub2，uc2为经过归一化处理的a，b，c三相电压。

第六步 空间矢量模块计算最终占空比

空间矢量模块判断ua2，ub2，uc2中的最大值um2是否小于1。

um2=max（ua2，ub2，uc2）

如果u_m2<1，则说明需要填充零矢量。对于三相桥式逆变器，零矢量有两种，一种为三相桥式逆变器的上桥臂全部导通，下桥臂全部关断；第二种为三相桥式逆变器的三相桥臂的上桥臂全部关断，下桥臂全部导通。在上述两种情况下，三相电压均为0，因此为零矢量。

为达到最大的电压利用率，两种零矢量的填充比例为1:1,此时k=0.5。具体地

ua3=ua2+k(1-um2)

ub3=ub2+k(1-um2)

uc3=uc2+k(1-um2)

其中，ua3，ub3，uc3为给定电压矢量所需要三相电压的占空比。

由此得到的ua3，ub3，uc3为给定电压矢量所需要三相电压的占空比，控制器利用计算出的占空比输出正确的控制脉冲，经驱动电路放大之后控制三相桥式逆变器产生需要的空间矢量。

通过以上步骤就可以实现基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法。这种计算方式不需要经过扇区判断就可以简单明了完成计算过程，不仅简化了计算过程，而且使得程序实现的流程清晰可读，将计算出的占空比可直接采用载波调制方法实现，将达到标准的七段脉冲宽度调制方法的效果。同时，通过调整第六步中两个零矢量的比例系统k，可以实现不同比例的零矢量的脉冲宽度调制方法，结合电流判断等条件，并可以简便的实现两相调制，电流最大相不调制等改进的脉冲宽度调制方法。

具体实施方式

一种基于映射原理的空间矢量脉冲宽度调制方法的具体步骤为：

第一步 搭建空间矢量逆变系统

空间矢量逆变器系统，包括：直流电源，三相桥式逆变器，控制器、驱动电路和空间矢量模块。其中直流电源为蓄电池或超级电容，三相桥式逆变器由六个可控开关器件组成，空间矢量模块的功能为：根据输入的电压矢量计算三相桥式逆变器各相的占空比。其中直流电源的正负极与三相桥式逆变器直流母线的正负极相连，驱动电路的输出端与三相桥式逆变器的控制信号输入端相连，控制器的输出端与驱动电路的输入端相连，空间矢量模块置于控制器中。

第二步  空间矢量模块处理输入电压

空间矢量模块的输入电压矢量应基于两相静止坐标系（α，β），即给定的空间电压矢量表述为α，β轴的电压，分别为u_α0，u_β0。而三相桥式逆变器直流母线电压udc的0.866倍为三相桥式逆变器所能达到的最大线性调制范围，因此以其为基准对u_α，u_β进行标幺化处理。

u_α= u_α0/(0.866×udc)

u_β= u_β0/(0.866×udc)

其中，u_α，u_β分别为标幺化处理后的α，β轴给定电压矢量。

第三步 空间矢量模块映射变换α，β轴电压

根据映射原理，将u_α，u_β进行映射，使其变换到三相静止坐标系（a，b，c）下。具体地，空间矢量模块将u_α，u_β分别投射到三相静止坐标系（a，b，c）中的a，b两相，而c相电压为0。具体地

ua= u_α

ub=-0.5 u_α﹢0.866 u_β

uc=0

其中，ua，ub，uc分别为映射变换后的a，b，c三相的电压。

第四步 空间矢量模块非负处理a，b，c三相电压

当ua，ub，uc存在负值时，需要对其进行非负处理。由于叠加零矢量不会影响原空间矢量的实现，因此采取在各相电压值上叠加等量数值的方式进行非负处理。

具体地，空间矢量模块分别对a，b两相的电压值进行非负判断，首先进行初级非负处理，如果ua<0,则

ua0=ua-ua

ub0=ub-ua

uc0=uc-ua

其中，ua0，ub0，uc0为初级非负处理后的a，b，c三相电压。

进行进一步判断，如果ub0<0,则

ua1=ua0-ub0

ub1=ub0-ub0

uc1=uc0-ub0

其中，ua1，ub1，uc1为次级非负处理后的a，b，c三相电压。

经过两级非负处理之后，a，b，c三相的电压值均大于等于0。

第五步 空间矢量模块归一化处理a，b，c三相电压

当给定的电压矢量超出三相桥式逆变器的线性输出范围时，需要对ua1，ub1，uc1进行归一化处理。

具体地，空间矢量模块首先计算ua1，ub1，uc1中的最大值u_m1。

um1=max（ua1，ub1，uc1）

并判断um1是否大于1,如果um1>1则说明给定的电压矢量超出了三相桥式逆变器的线性输出范围，需要对ua1，ub1，uc1进行等比例缩小,即

ua2=ua1/um1

ub2=ub1/um1

uc2=uc1/um1

其中，ua2，ub2，uc2为经过归一化处理的a，b，c三相电压。

第六步 空间矢量模块计算最终占空比

空间矢量模块判断ua2，ub2，uc2中的最大值um2是否小于1。

um2=max（ua2，ub2，uc2）

如果u_m2<1，则说明需要填充零矢量。对于三相桥式逆变器，零矢量有两种，一种为三相桥式逆变器的上桥臂全部导通，下桥臂全部关断；第二种为三相桥式逆变器的三相桥臂的上桥臂全部关断，下桥臂全部导通。在上述两种情况下，三相电压均为0，因此为零矢量。

为达到最大的电压利用率，两种零矢量的填充比例为1:1,此时k=0.5。具体地

ua3=ua2+k(1-um2)

ub3=ub2+k(1-um2)

uc3=uc2+k(1-um2)

其中，ua3，ub3，uc3为给定电压矢量所需要三相电压的占空比。

由此得到的ua3，ub3，uc3为给定电压矢量所需要三相电压的占空比，控制器利用计算出的占空比输出正确的控制脉冲，经驱动电路放大之后控制三相桥式逆变器产生需要的空间矢量。