抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法

摘要

本发明提出一种抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法，包括以下步骤：根据多涡卷多翅膀混沌系统状态方程生成多涡卷多翅膀混沌吸引子，并根据混沌吸引子得到多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量；对多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量进行采样，以得到混沌序列；根据混沌序列得到频率混沌变化的混沌载波信号，其中，混沌载波信号的频率通过如下公式表示：f

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混 沌控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，电力电子变换器已经广泛应用于生产生活中。但是电 力电子变换器中由于开关器件高频动作所引起的电磁干扰问题同样得到了广泛关注。 CPWM(Chaotic Pulse Width Modulation，混沌脉宽调制)技术是一种基于混沌理论提出的 用于抑制电力电子变换器电磁干扰的新型调制技术，可以有效降低电力电子变换器开关频 率及其倍数次处的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)峰值。

目前，现有的CPWM主要是基于离散型混沌系统，如logistic映射、tent映射、chebyshev 映射等等。但是，现有的CPWM对电力电子变换器EMI的抑制效果有限，会带来很高的 背景噪声，在非开关频率及其倍频处产生大量次谐波，还会产生低频噪声，这些是在抑制 电力电子变换器EMI时所不期望的。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法， 该方法能够更为有效的抑制电力电子变换器的电磁干扰，提高电力电子变换器的电磁兼容 性。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种抑制电力电子变换器的电磁干扰新型 混沌控制方法，包括以下步骤：根据多涡卷多翅膀混沌系统状态方程生成多涡卷多翅膀混 沌吸引子，并根据所述混沌吸引子得到所述多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量；对所述多 涡卷多翅膀混沌系统的状态变量进行采样，以得到混沌序列；根据所述混沌序列得到频率 混沌变化的混沌载波信号，其中，所述混沌载波信号的频率通过如下公式表示： f_c＝f_r+x_i·Δf,x_i∈(-1,1),i＝1,2,...，其中，f_c为混沌载波信号的频率，f_r为基 准载波频率，Δf为最大频率波动值，x_i为所述混沌序列；根据混沌脉宽调制信号与所述混 沌载波信号生成混沌脉冲宽度调制PWM控制信号，以控制所述电力电子变换器。

根据本发明实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法，通过对多涡 卷多翅膀混沌系统的状态变量采样得到混沌序列，基于混沌序列生成频率混沌变化的混沌 载波信号，再将调制波信号与混沌载波信号相比较，产生混沌PWM控制信号，以控制电力 电子变换器开关器件，实现基于多涡卷多翅膀混沌系统的CPWM技术。本发明的方法在降 低开关频率及其倍数次EMI峰值的同时，能够减少在非开关频率及其倍数次，特别是低频 段引入的次谐波，从而进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。另外，该方法适用于任 何PWM控制的电力电子变换器中，易于实现，不增加硬件成本，且具有很强的应用性。

另外，根据本发明上述实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法， 还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，多涡卷混沌系统为改进Chua电路，多翅膀混沌系统为两方向分布平面 网格状多翅膀混沌系统。

在一些示例中，所述改进Chua电路的无量纲状态方程为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=\alpha [y-f_2(y)-0.5\xi x+f_1(x,\xi \left)\right]\\ \stackrel{·}{y}=x-y+z\\ \stackrel{·}{z}=-\beta [y-f_2(y\left)\right]\end{array}\right),$

其中，α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)均为阶梯波序列， 其中f₁(x,ξ)中的ξ为控制参数。

在一些示例中，当产生偶数个涡卷吸引子时，所述f₁(x,ξ)和f₂(y)的具体构造形式 为：

$f_1(x,\xi )=A_1\xi [-\mathrm{sgn}\left(x\right)+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(x+4{\mathrm{iA}}_1)+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(x-4{\mathrm{iA}}_1)]$

$f_2\left(y\right)=A_2[-\mathrm{sgn}\left(y\right)+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y+2{\mathrm{jA}}_2)+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y-2{\mathrm{jA}}_2)],$

其中，A₁＝A₂>0，N≥0，M≥0。

在一些示例中，所述改进Chua电路可产生涡卷吸引子的数量为 (2N+2)×(2M+2)×(2N+2)，且呈现多方向网格涡卷分布。

在一些示例中，当产生奇数个涡卷吸引子时，所述f₁(x,ξ)和f₂(y)的具体构造形式 为：

$f_1(x,\xi )=A_1\xi \left\{\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}\right[x+(4i-2)A_1]+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}[x-(4i-2)A_1\left]\right\}$

$f_2\left(y\right)=A_2\left\{\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}\right[y+(2j-1)A_2]+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}[y-(2j-1)A_2\left]\right\},$

其中，A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1。

在一些示例中，所述改进Chua电路可产生涡卷吸引子的数量为 (2N+1)×(2M+1)×(2N+1)，且呈现多方向网格涡卷分布。

在一些示例中，所述两方向分布平面网格状多翅膀混沌系统的无量纲状态方程为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=y-g\left(y\right)\\ \stackrel{·}{y}=(1-z)\mathrm{sgn}\left(x\right)-a(y-g(y\left)\right)\\ \stackrel{·}{z}=f\left(x\right)-bz\end{array}\right),$

其中，

$f\left(x\right)=F_0{x}^2-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_i[1+0.5\mathrm{sgn}(x-E_i)-0.5\mathrm{sgn}(x+E_i)],$

$g\left(y\right)=G\underset{m=-M}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y-2mG).$

其中，F₀＝k，F_i＝2A/k，E_i＝0.5(1+i)A/k，A,k,k_i,G为系数。

在一些示例中，所述两方向分布平面网格状多翅膀混沌系统可产生的翅膀混沌吸引子 的数量为(2N+2)×(2M+2)。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法的 流程图；

图2是根据本发明一个实施例的利用改进Chua电路生成的2×2×2涡卷的混沌吸引子 相图，分别为xy平面、yz平面和xz平面；

图3是根据本发明一个实施例的利用两方向分布平面网格状多翅膀混沌系统生成的 2×2翅膀的混沌吸引子相图；

图4是根据本发明一个实施例的PWM控制的控制原理图；

图5是根据本发明一个具体实施例的Boost变换器的拓扑图以及其EMI干扰路径图； 以及

图6是根据本发明一个具体实施例的传统固定频率的PWM、基于离散混沌序列的 CPWM以及基于2×2涡卷混沌系统的CPWM，这3种控制方式下Boost变换器开关器件漏 源电压V_dc的频谱结果对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制 方法。

图1为根据本发明一个实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法的 流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101，根据多涡卷多翅膀混沌系统状态方程生成多涡卷多翅膀混沌吸引子，并根 据混沌吸引子得到多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量。

其中，在该步骤中，多涡卷混沌系统例如为改进Chua电路，多翅膀混沌系统例如为两 方向分布平面网格状多翅膀(Shimizu-Morioka，S-M)混沌系统。

更为具体地，改进Chua电路的无量纲状态方程例如为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=\alpha [y-f_2(y)-0.5\xi x+f_1(x,\xi \left)\right]\\ \stackrel{·}{y}=x-y+z\\ \stackrel{·}{z}=-\beta [y-f_2(y\left)\right]\end{array}\right),$

其中，α＝10，β＝16，ξ＝0.3～1为控制参数，f₁(x,ξ)和f₂(y)均为阶梯波序列， 其中f₁(x,ξ)中的ξ为控制参数。

进一步地，在上式中，如果产生偶数个涡卷吸引子时，则f₁(x,ξ)和f₂(y)的具体构 造形式为：

$f_1(x,\xi )=A_1\xi [-\mathrm{sgn}\left(x\right)+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(x+4{\mathrm{iA}}_1)+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(x-4{\mathrm{iA}}_1)]$

$f_2\left(y\right)=A_2[-\mathrm{sgn}\left(y\right)+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y+2{\mathrm{jA}}_2)+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y-2{\mathrm{jA}}_2)],$

其中，A₁＝A₂>0，N≥0，M≥0。

进一步地，利用该式，可在改进Chua电路中产生涡卷吸引子的数量为 (2N+2)×(2M+2)×(2N+2)，且呈现多方向网格涡卷分布。

另一方面，如果产生奇数个涡卷吸引子时，所述f₁(x,ξ)和f₂(y)的具体构造形式为：

$f_1(x,\xi )=A_1\xi \left\{\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}\right[x+(4i-2)A_1]+\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{sgn}[x-(4i-2)A_1\left]\right\}$

$f_2\left(y\right)=A_2\left\{\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}\right[y+(2j-1)A_2]+\underset{j=0}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}[y-(2j-1)A_2\left]\right\},$

其中，A₁＝A₂>0，N≥1，M≥1。进一步地，利用该式，可在改进Chua电路中产 生涡卷吸引子的数量为(2N+1)×(2M+1)×(2N+1)，且呈现多方向网格涡卷分布。

作为具体的例子，如图2所示，展示了当N＝0,M＝0时，利用上述公式生成的2×2×2 涡卷的混沌吸引子相图，图2(a)、图2(b)和图2(c)分别对应于xy平面、yz平面和xz平 面的结果。

进一步地，两方向分布平面网格状多翅膀S-M混沌系统的无量纲状态方程为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{x}=y-g\left(y\right)\\ \stackrel{·}{y}=(1-z)\mathrm{sgn}\left(x\right)-a(y-g(y\left)\right)\\ \stackrel{·}{z}=f\left(x\right)-bz\end{array}\right),$

其中，

$f\left(x\right)=F_0{x}^2-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_i[1+0.5\mathrm{sgn}(x-E_i)-0.5\mathrm{sgn}(x+E_i)],$

$g\left(y\right)=G\underset{m=-M}{\overset{M}{\Sigma }}\mathrm{sgn}(y-2mG).$

其中，在上式中，F₀＝k，F_i＝2A/k，E_i＝0.5(1+i)A/k，A,k,k_i,G为系数。

进一步地，利用上述两方向分布平面网格状多翅膀S-M混沌系统的状态方程可产生的 翅膀混沌吸引子的数量为(2N+2)×(2M+2)。作为具体的例子，如图3所示，展示了当 N＝0,M＝0时，利用上述公式生成的2×2翅膀的混沌吸引子相图。

步骤S102，对多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量进行采样，以得到混沌序列。在具体 示例中，在该步骤中，例如，采样频率设为f_s。需要说明的是，采样频率的不同，混沌序列 的分布不同，应用于CPWM中，对电力电子变换器电磁干扰的抑制效果也会不同。

步骤S103，根据混沌序列得到频率混沌变化的混沌载波信号，其中，混沌载波信号的 频率通过如下公式表示：

f_c＝f_r+x_i·Δf,x_i∈(-1,1),i＝1,2,...，

其中，f_c为混沌载波信号的频率，f_r为基准载波频率，Δf为最大频率波动值，x_i为 混沌序列。在该示例中，此处x_i经过了一个比例运算，使x_i∈(-1,1)。

步骤S104，根据混沌脉宽调制信号与混沌载波信号生成混沌脉冲宽度调制PWM控制信 号，以控制电力电子变换器。具体地说，将混沌脉宽调制信号与混沌载波信号进行比较， 以产生混沌PWM控制信号，根据混沌PWM控制信号控制电力电子变换器开关器件，以此 实现基于多涡卷多翅膀混沌系统的CPWM技术。

作为具体的示例，PWM控制信号生成的原理如图4所示。利用调制波信号与频率混沌 变化的载波信号相比较，得到混沌PWM控制信号，即电力电子变换器开关器件的驱动信号。 由此混沌控制信号控制电力电子变换器工作于混沌状态，即可实现基于多涡卷多翅膀混沌 系统的CPWM技术。

为了便于更好的理解本发明实施例的方法，以下以电力电子变换器中应用广泛的Boost 变换器为例来仿真验证本发明实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法 对于抑制电力电子变换器EMI的有效性。

具体地说，Boost变换器的原理图如图5所示。根据Boost变换器EMI产生的原理可知， 开关器件的漏源电压V_dc为电磁干扰源，则对V_dc进行频谱分析，即可得到Boost变换器的电 磁干扰情况。

首先，选取2×2涡卷混沌系统为例，利用公式(1)，当N＝0,M＝0时，生成2×2×2 涡卷的混沌吸引子，对状态变量x进行采样获取混沌序列，采样频率为1000Hz。将此混沌序 列加入到Boost变换器的CPWM控制中，并对其V_dc频谱进行测量。其中，Boost变换器仿真 平台参数如下表1所示：

表1

在该示例中，例如，利用Matlab/Simulink软件搭建仿真平台，并实现基于多涡卷多翅 膀混沌系统的抑制电力电子变换器电磁干扰新型混沌控制方法。为对比本发明实施例的基 于多涡卷多翅膀混沌系统的抑制电力电子变换器电磁干扰新型混沌控制方法的优势所在， 在仿真中分别实现了传统固定频率的PWM、基于离散混沌序列(logistic混沌映射)的CPWM 以及基于2×2涡卷混沌系统的CPWM，在以上3种控制方式下，分别测量开关器件漏源电压 V_dc的频谱，得到频谱结果对比结果如图6所示。

如图6所示，线条1为传统固定频率的PWM(T-PWM)控制下的Boost变换器V_dc频谱图， 线条2为基于离散混沌序列(logistic混沌映射)的CPWM(TCF-PWM)控制下的Boost变换 器V_dc频谱图，线条3为基于2×2涡卷混沌系统的CPWM(SCF-PWM)控制下的Boost变换器 V_dc频谱图。对比T-PWM控制下的Boost变换器，TCF-PWM和SCF-PWM均能减小开关频率 及其倍数次的EMI峰值。但是在TCF-PWM控制下，在减小开关频率及其倍数次EMI峰值的 同时，会在开关频率及其倍数次周围产生大范围、高幅值的次谐波，特别是在低频段，这 将不利于Boost变换器EMI的抑制。而本发明实施例的SCF-PWM可以在一定程度上解决这一 问题，在更加有效的降低开关频率及其倍数次EMI峰值的同时，只在开关频率及其倍数次 附近小范围内有谐波幅值的增加，避免了低频噪声的产生。由上面分析可知，所发明的基 于2×2涡卷混沌系统的CPWM控制方法在抑制电力电子变换器EMI方面具有更好的效果。

进一步的，不仅2×2涡卷混沌系统应用于CPWM控制能够在抑制电力电子变换器EMI 方面取得更好的效果，还可以将2×2涡卷混沌系统扩展为其他多涡卷多翅膀混沌系统，采用 不同的系统，对于EMI频谱分布的影响也不同，相应的对EMI抑制效果也将不同。

综上，根据本发明实施例的抑制电力电子变换器的电磁干扰新型混沌控制方法，通过 对多涡卷多翅膀混沌系统的状态变量采样得到混沌序列，基于混沌序列生成频率混沌变化 的混沌载波信号，再将调制波信号与混沌载波信号相比较，产生混沌PWM控制信号，以控 制电力电子变换器开关器件，实现基于多涡卷多翅膀混沌系统的CPWM技术。本发明的方 法在降低开关频率及其倍数次EMI峰值的同时，能够减少在非开关频率及其倍数次，特别 是低频段引入的次谐波，从而进一步提高电力电子变换器的电磁兼容性。另外，该方法适 用于任何PWM控制的电力电子变换器中，易于实现，不增加硬件成本，且具有很强的应用 性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、 “顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的 方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个， 三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械 连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元 件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术 人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第 一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第 二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一 特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征 在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合 和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。