基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法及应用

摘要

本发明公开了一种基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法及应用，将基于单相的SVPWM技术，推广到六相感应电机的SVPWM控制及其实现方法，并通过实验验证了此方法的可行性。另外，在已实现SVPWM控制的六相感应电机正常运行的前提下，本发明提出了一种新型的谐波注入方法。

说明书

技术领域

本发明属于SVPWM领域，具体涉及一种六相感应电机SVPWM控制方法。

背景技术

空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation/SVPWM）技术源于三相电机调速控制系统，并被广泛应用于各类PWM逆变电源中。该算法具有母线电压利用率高，开关器件损耗小等优点。单相SVPWM技术是在传统逆变电源SVPWM技术原理的基础上，引入了单相电源的电压状态矢量空间和平面坐标旋转变换。

单相正弦电压的线电压形式如式（1）：

                                                                                      （1）

与三相的三维空间坐标旋转变换相似，取轴正方向的单位矢量，做逆变换后即可计算得到原空间电压矢量在轴下的坐标：

                                         （2）

单相全桥逆变器电路拓扑如附图1所示。理想工作状态下，全桥逆变器每一桥臂上下开关管开关状态互补，此逆变桥电路可产生四种离散输出线电压矢量。其中，“0”表示关断，“1”表示开通。单相逆变器的四种开关状态如表1示，即电压矢量在空间上可形成4个离散的电压矢量。

                         （3）

将经过坐标旋转可变换为：

                                      （4）

 表1 单相逆变器的4种开关状态

SVPWM技术的基本思想是用离散的电压矢量线性拟合期望输出的电压矢量。设为PWM载波周期， 为当前有效电压矢量作用时间，为零电压矢量作用时间，则由伏秒平衡原理可得：

                                                （5）

其中，即为期望的输出电压矢量，为或。

当时，即的正半周上时，取为

                                  （6）

时，取为

           （7）

另外，电压调制比定义为期望输出电压与逆变输出电压矢量模的比值。

                                          ( 8 )

 单相SVPWM的传统开关模式的矢量作用顺序为。其中，对应表1中a=1、b=0的状态，即S1、S4两个管子导通；分别对应a=0、b=0，a=1、b=1时的状态，即零矢量。其矢量分布图如附图4所示。

经实际上电调试，通过控制器给予各IGBT触发脉冲，单相电机可正常运行。

本发明的目的是提供一种能够实现六相感应电机高效稳定运行的SVPWM控制方法。本发明六相电机为双Y移30°绕组感应电机，在单相SVPWM技术的基础上，通过移相，来实现六相感应电机的SVPWM控制。

本发明的技术方案是：

一种基于两级H桥的六相感应电机SVPWM控制方法，所述电机为六相独立绕组：A1，B1，C1，A2，B2，C2，其中A1、B1、C1任意两项之间电角度为120°，A2、B2、C2任意两项之间电角度为120°，A1与A2、B1与B2、C1与C2之间电角度互差30°，其实现步骤如下：

第一步：各项储存器存储正弦波的离散点，通过离散点拟合电压矢量；

第二步：将电压矢量传递给信号保持器；

第三步：根据电压矢量的值计算矢量作用时间及比较值，从而产生各级SVPWM脉冲，其中，电压矢量值每隔一个开关周期刷新一次；

其中，上述第一步离散点拟合正弦电压矢量；

上述第三步矢量作用时间及比较值计算如下： 其中， 为三相电源线电压的有效值，为单相全桥逆变器的直流母线电压，为PWM载波周期， 为当前有效电压矢量作用时间，为零电压矢量作用时间， CMPR1、CMPR2为时间比较值。

                

本发明的控制方法可以应用于多种控制器，如单片机、DSP、ARM芯片、FPGA等半导体器件。

对于其它类型的多相电机，如果其定子绕组是各自独立，相互之间没有联接的绕组，也可以采用本发明方法实现SVPWM控制及注入谐波。

本发明的有益效果是将基于单相的SVPWM技术，推广到六相感应电机的SVPWM控制技术，从而为六相感应电机高效稳定运行提供了一种简便、易行的方法。本发明电压矢量通过离散的点拟合，，对与适量叠加后可实现三次谐波注入的效果，从而提高输出转矩密度大幅增加。注入三次谐波的大小与k成反比。当时，即相当于拟合，此时存储器中的点即相当于拟合正弦波，从而实现没有谐波注入的两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制。利用此控制方法电机输出转矩大且谐波大小可调控。

附图说明

图1单相全桥逆变器电路拓扑；

图2传统模式下的SVPWM矢量分布图；

图3传统模式下单相SVPWM的实现；

图4两级H桥拓扑结构；

图5 六相感应电机绕组位置关系示意图；

图6六相绕组的感应电动势；

图7 注入20%三次谐波仿真图；

图8 SVPWM调制技术的FPGA实现框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明构建的两级H桥拓扑结构如图4所示，共由24个IGBT组成，直流母线电压为。其中每四个IGBT构成一个两级H桥，每个两级H桥的直流母线电压为 。

本发明电机为六相独立绕组A1、B1、C1、A2、B2、C2，六相感应电机绕组位置关系如图5所示，其中A1、B1、C1任意两项之间电角度为120°，A2、B2、C2任意两项之间电角度为120°，A1与A2、B1与B2、C1与C2之间电角度互差30°。绕组的感应电动势如图6所示。 

本发明利用一个单相电机的电压矢量通过相移实现六相感应电机的SVPWM控制。其中，电压矢量通过离散的点拟合。例如，取=10000，经运算可得到144个点来拟合正弦波，如表2示。

 表2拟合正弦波的144个离散点

 由此计算得到当前时刻有效电压矢量与零电压矢量的作用时间、对应得到时间比较值CMPR1和CMPR2，见式（9）、（10）。从而得到对称的PWM波形参见附图3。

 

                               （9）

                           （10）

此时可实现单相电机正常运行。在此基础上分别后移0、12、48、60、96、108个点，即可实现六相感应电机正常运行。

如图8所示，应用本发明六相感应电机SVPWM控制方法的控制器由以下模块组成：

①    存储器模块：用于存储模拟正弦波的离散的点，存储值的容量与控制器的存储容量有关。对于六相电机的SVPWM实现，六个存储器中的值完全相同，只是开始工作的点有所差别，A1相、A2相、B1相、B2相、C1相、C2相分别从第0个点、第N/12个点、第N/3个点、第5N/12个点、第2N/3个点、第3N/4个点开始；

②    信号保持器：相当于锁存器的功能。用于缓存上次读入的电压矢量的值，可通过定义一个输入控制端以实现每隔一个PWM载波周期刷新至下一个值。同时，可通过变更取地址的大小改变一个周期内对电压矢量的取值个数，即改变生成SVPWM脉冲的频率；

③    矢量作用时间计算模块：选择合适的电压调制比与PWM周期即可计算得到有效电压矢量与零电压矢量的作用时间；

④    比较值计算模块：由计算出的矢量作用时间，对应附图3。根据图中高低电平的切换点得到对应的比较值；

⑤     SVPWM脉冲产生模块：由得到的比较值，加入适合的死区时间，产生各极对应的SVPWM脉冲。对于六相电机的SVPWM控制需输出24路脉冲。

三次谐波注入作为一种新型提高输出转矩密度的技术方法，其基本思想是利用三次谐波脉动产生三次谐波电流，从而使输出转矩密度大幅增加。因此如何正确有效的注入谐波显得尤为重要。在Matlab中，对与适量叠加后的结果进行仿真，结果表明即可实现三次谐波注入的效果，如图7所示，此图为注入20%电流谐波。

在实现基于两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制算法中，变更存储器中模拟正弦波的离散点为注入三次谐波的正弦波的点，其它模块无需改变，即可实现注入三次谐波的效果，且谐波大小可调。具体实现方法为：通过离散的点来拟合即可。其中，注入三次谐波的大小与成反比，当时，即相当于拟合，此时存储器中的点即相当于拟合正弦波，从而实现没有谐波注入的两级H桥的六相感应电机的SVPWM控制。