專利名稱：三電平電路的一種空間矢量脈寬調(diào)制控制器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間矢量脈寬調(diào)制(SVP窗)控制方法，具體涉及一種矢
量控制器及其控制方法。
背景技術(shù)：
通常，三相三電平PFC (功率因數(shù)校正)電路的拓樸結(jié)構(gòu)如圖l所示， 其中，a、 b、 c是三相交流電壓輸入，P、 N是直流輸出，O點(diǎn)是輸出端電 容COl、 C02的中點(diǎn)；La、 Lb、 Lc是三個電感；Sl、 S2、 S3是若干電力電 子器件(MOSFET、 IGBT等)及其附加電路，起高頻開關(guān)的作用，稱為開 關(guān)管；Dl、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6是6個二極管。圖1所示電^各將a、 b、 c三端輸入的三相交流電壓通過矢量控制轉(zhuǎn)化為PN端輸出的直流電壓，用 于提供直流母線電壓。
圖1中的三個開關(guān)管S1、 S2、 S3的不同狀態(tài)，對應(yīng)的輸入端點(diǎn)電壓有 27種組合，4巴S1、 S2、 S3的開關(guān)組合看作一個開關(guān)矢量，每種開關(guān)狀態(tài) 對應(yīng)一種開關(guān)矢量，總共有27個開關(guān)矢量，如圖2所示的空間矢量圖。圖 中PNN表示在這種開關(guān)狀態(tài)下，輸入端點(diǎn)u、 v、 w的電位Ui^P點(diǎn)，Uv二N 點(diǎn)，Uw^N點(diǎn)，其它類同。這里定義電壓空間矢量為
其中，eM。、 ev。、 e柳分別表示輸入端點(diǎn)u、 v、 w的電壓，則上述27種開關(guān) 矢量的分布如圖2所示，組成了一個大六邊形，乂人這個六邊形可以看出， 這些開關(guān)矢量共分成5組
(l)"a"組矢量長度最長，稱為大矢量。
②"b"組矢量長度中等，稱為中矢量。(3) "C"組矢量長度最小，稱為小矢量。
(4) "d"組矢量與"c"組重合，也是小矢量。
(5) "z"組零矢量PPP、 OOO、 NNN。
根據(jù)空間矢量的理論，三相對稱的正弦電壓在空間上可以看作 一 個幅 值不變、均勻旋轉(zhuǎn)的矢量，稱為電壓空間矢量。這個矢量的幅值代表正弦 電壓的幅值，矢量的相角代表正弦電壓的相位，矢量頂點(diǎn)在平面上旋轉(zhuǎn)的
軌跡是一個圓。
在現(xiàn)有的技術(shù)中， 一般都是采用以下方法電壓空間矢量VM處于任意 一個位置時(shí)，選擇包圍它的最小三角形的三個頂點(diǎn)作為開關(guān)矢量，由這三 個開關(guān)矢量分別作用一定的時(shí)間來合成所需要的電壓空間矢量。例如，當(dāng)
電壓矢量處于圖2中al、 bl、 cl/dl圍成的小三角形區(qū)域中時(shí)，選"t奪開關(guān)矢 量al、 bl、 cl/dl來合成，然后根據(jù)矢量合成的原理來計(jì)算各開關(guān)矢量的作 用時(shí)間
這種現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是
(1) 矢量由包圍它的最小三角形的三個頂點(diǎn)合成，整個平面分成了 24個 小三角形，數(shù)目眾多。判斷矢量處于哪個小三角形區(qū)域，要根據(jù)矢量的幅 值和相位角進(jìn)行計(jì)算，算法非常復(fù)雜；
(2) 判斷出矢量處于某個小三角形內(nèi)部后，還有幾種情況需要分析矢 量可能是由一個零矢量、兩個小矢量合成，例如z、 cl/dl、 c6/d6;可能由 兩個小矢量和一個中矢量合成，例如cl/dl、 c6/d6、 b6;可能由一個小矢量、 一個中矢量和一個大矢量合成，例如cl/dl、 b6、 al，或者c6/d6、 b6、 a6。
矢量在這幾種情況下，由上式(n)推導(dǎo)出來的開關(guān)矢量作用時(shí)間的計(jì)算公 式，形式是不一樣的，計(jì)算非常復(fù)雜。
總之，上述矢量控制方法計(jì)算是非常復(fù)雜的，不利于軟件編程， 一般
需要高速的處理器，從而還增加了設(shè)計(jì)成本；如果不采用高速的處理器，
=6 .q .夂
+ /， +f3則計(jì)算時(shí)間過長，限制了開關(guān)頻率的提高。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供三電平電路的一種空間矢量脈寬調(diào)制控制器及 其控制方法，其簡化了空間矢量調(diào)制的算法，降低了編程成本，以及硬件 成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案本發(fā)明提供了 一種用于三電平電路的空間矢量調(diào)制的方法，其包括A、 建立整流或逆變電路中各開關(guān)工作狀態(tài)的開關(guān)空間矢量平面圖，并 用從此開關(guān)空間矢量平面圖中心起的射線將此空間矢量平面圖均分為12個 直角三角形；B、 根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平面圖中查找給 定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，以所述直角三角形區(qū)域的 各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各開關(guān)工作時(shí)間的 矢量合成數(shù)學(xué)模型；C、 根據(jù)給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的輸入量；D、 將獲得的輸入量輸入到所述矢量合成數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算電路中各開 關(guān)的工作時(shí)間，用以控制整流或逆變電路輸出所述給定量。所述的方法，其中，所述矢量合成數(shù)學(xué)模型為其中，^表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；2表示位于所述空間矢 量平面圖中心點(diǎn)的零矢量；2表示位于所述直角三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量； 5表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)相連的直 角邊頂點(diǎn)的中矢量；5表示位于所述直角三角形斜邊中點(diǎn)的小矢量；71.表示 開關(guān)周期；"表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，A表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，t2表示所述中矢量的作用時(shí)間，t:,表示所述小矢量對應(yīng)開8關(guān)的作用時(shí)間。所述的方法，其中，所述矢量合成數(shù)學(xué)^t型為k =《+ " + f;其中，C表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；3表示位于所述直角 三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量；3表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢 量平面圖中心點(diǎn)相連的直角邊頂點(diǎn)的中矢量；71.表示開關(guān)周期；《表示所 述零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，,(表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間， 表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間。所述的方法，其中，所述步驟D包括以下步驟Dl、采用歸一化算法，將給定量對應(yīng)的空間矢量的相位角轉(zhuǎn)換到參考 扇區(qū)；D2、根據(jù)所述相位角，選"^所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型套用公 式，計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；D3、從計(jì)算獲得的所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間中，分出一預(yù)設(shè)部 分時(shí)間給所述小矢量，并重新分配所述工作時(shí)間，用以調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓的平衡。所述的方法，其中，所述步驟D3中，所述重新分配規(guī)則如下所示《= 、"=6 ;〃 =Z-7V其中，iV表示所述預(yù)設(shè)部分時(shí)間；《表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工 作時(shí)間，z表示計(jì)算獲得的零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；"'表示所述大矢量 對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，a表示計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間； 《表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，6表示計(jì)算獲得的中矢量對應(yīng) 開關(guān)的工作時(shí)間；《表示所述小矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間。所述的方法，其中，所述步驟D2中，利用所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間套用如下公式<formula>formula see original document page 10</formula>其中，7;表示開關(guān)周期；z表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，a表 示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，6表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí) 間；附=17|/￡， 1Fi表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量^的電壓幅值，^表 示給所述大矢量的長度，^表示給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角。所述的方法，其中，若所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間小于零， 則去除所述零矢量，對各個開關(guān)的工作時(shí)間重新賦值，令,卜a-z，《=2z， 《=0，《=/;,其中，"'表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，a表示計(jì) 算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；表示所述小矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工 作時(shí)間，z表示計(jì)算獲得的零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，6表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間?；谏鲜龇椒?，本發(fā)明還提供了一種空間矢量脈寬調(diào)制控制器，所述控制器包括采樣模塊，用于采樣電路的輸出量，獲得輸出采樣量；調(diào)節(jié)器器模塊用于根據(jù)給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的電壓或電流輸入量；執(zhí)行單元，用于根據(jù)矢量計(jì)算獲得的開關(guān)工作時(shí)間，控制整流或逆變電路輸出所述給定量；所述控制器還包括查找模塊，用于根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，并以所述直角三角形區(qū)域的各頂,泉10對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各開關(guān)工作時(shí)間的矢量合
成數(shù)學(xué)模型；計(jì)算^t塊，用于將獲得的電壓或電流輸入量輸入到所述矢量 合成模型中，計(jì)算電路中各開關(guān)的工作時(shí)間，并將所述工作時(shí)間輸出給所 述才丸4于單元。
所述的控制器，其中，所述計(jì)算模塊包括
用于將給定量對應(yīng)的空間矢量的相位角進(jìn)行歸一化計(jì)算轉(zhuǎn)換到參考扇 區(qū)的單元；
用于根據(jù)所述相位角，選擇所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型套用公 式，并計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間的單元。 所述的控制器，其中，所述計(jì)算模塊還包括
中點(diǎn)電壓平衡調(diào)節(jié)單元，用于從計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí) 間中分出一預(yù)設(shè)部分時(shí)間給所述小矢量，此大矢量指所述扇形區(qū)域內(nèi)位于 直角三角形斜邊頂點(diǎn)的空間矢量，此小矢量指所述扇形區(qū)域內(nèi)位于直角三 角形斜邊中點(diǎn)的空間矢量。
發(fā)明效果本發(fā)明提供一種新的空間矢量脈寬調(diào)制控制算法，其將矢 量控制平面劃分為12個直角三角形區(qū)域；空間矢量由包圍它的直角三角形 的三個頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量(一個零矢量、 一個中矢量和一個大矢量)合 成；大矢量的作用時(shí)間中分出一部分給小矢量，進(jìn)行輸出電壓平衡的調(diào)節(jié)。 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的方法只需要將平面劃分為12個區(qū)域，數(shù)目少了 一半；并且只需要根據(jù)空間矢量的相位角，就可得出矢量所處的直角三角 形區(qū)域，這種區(qū)域判斷是非常簡單的。另外，從矢量合成數(shù)學(xué)模型可以看 出，本發(fā)明的方法利用每個直角三角形的頂點(diǎn)對應(yīng)的都是一個零矢量、一 個中矢量和一個大矢量，即可達(dá)到了與兩電平電路類似的簡單算法，方法 筒單，易操作，易編程，并且降低了對處理器速度的要求?？梢?，本發(fā)明 簡化了空間矢量脈寬調(diào)制的控制算法，降低了編程成本，以及硬件成本。


圖l為三相三電平PFC (功率因數(shù)校正)電路的拓樸結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為三相三電平電i 各的空間矢量圖； 圖3為本發(fā)明矢量控制器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明空間矢量調(diào)制方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了三電平電路的一種空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制器 的控制方法，其過程如下所示
首先，建立整流或逆變電路中各開關(guān)工作狀態(tài)的開關(guān)空間矢量平面圖， 并用從此開關(guān)空間矢量平面圖中心起的射線將此空間矢量平面圖均分為12 個直角三角形；
然后，根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平面圖中，
查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，以所述直角三角形
區(qū)域的各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各開關(guān)工作
時(shí)間的矢量合成數(shù)學(xué)模型，這里直角三角形區(qū)域的頂點(diǎn)開關(guān)矢量包括位
于所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)的零矢量、位于直角三角形區(qū)域中與所述中
心點(diǎn)相連的直角邊頂點(diǎn)的中矢量、位于直角三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量、位
于直角三角形斜邊中點(diǎn)的小矢量；
其次，根據(jù)給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的輸入量；
最后，將獲得的輸入量輸入到所述矢量合成數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算電路中
各開關(guān)的工作時(shí)間，用以控制整流或逆變電路輸出所述給定量。
本發(fā)明的基本原理是，將空間失量平面圖中的每一個扇區(qū)均分為2個 直角三角形區(qū)域，即整個空間矢量平面圖均分為12個直角三角形。比如在 扇區(qū)I中，z、 cl/dl、 al、 M構(gòu)成直角三角形區(qū)域l, z、 c2/d2、 a2、 bl構(gòu) 成直角三角形2。然后，利用直角三角形的三個頂點(diǎn)和斜邊中點(diǎn)共4個開關(guān) 矢量來合成所需要的電壓空間矢量，如下式建立矢量合成數(shù)學(xué)模型其中，^表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；？表示位于所述空間矢 量平面圖中心點(diǎn)的零矢量；2表示位于所述直角三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量； 5表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)相連的直 角邊頂點(diǎn)的中矢量；5表示位于所述直角三角形斜邊中點(diǎn)的小矢量；r,表示 開關(guān)周期，對應(yīng)于電路中開關(guān)管的開關(guān)頻率；/o表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的 作用時(shí)間，/t表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，/2表示所述中矢量的作 用時(shí)間，/3表示所述小矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間。
上述公式(1)不是獨(dú)立的，會有無窮組解，需要對式(1)進(jìn)行分析， 簡化公式
1、 Z表示位于所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)的零矢量，所以/。.2實(shí)際等于零。
2、 根據(jù)空間矢量2所示，注意到開關(guān)大矢量:i的相位角與小矢
量5相同，大矢量2的幅值是小矢量5的2倍。所以小矢量5可以用大矢量 2來代替，只是作用時(shí)間縮小一半，這樣代替后合成的空間矢量是等效的。 所以，在合成矢量時(shí)，可以暫時(shí)把小矢量去除，空間矢量只由一個大矢量、
一個中矢量和一個零矢量合成，即
其中，&表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；2表示位于所述直角 三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量；，表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢 量平面圖中心點(diǎn)相連的直角邊頂點(diǎn)的中矢量；r,表示開關(guān)周期；《表示所 述零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，'表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，《 表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間。 -
由上述公式(2 )看出，空間矢量只由直角三角形的三個頂點(diǎn)合成即可。
13個大矢量，達(dá)到了與兩電平電 路類似的簡單算法，兩電平電路的空間矢量算法就是由一個零矢量和兩個 非零矢量合成。因?yàn)?br> (3)
2
其中，￡為大矢量2的幅值。將上述公式(3)代入上述公式(2)即可 以解得相對應(yīng)的開關(guān)工作時(shí)間了 。
以下以一個具體的實(shí)施例來說明。如圖2所示，根據(jù)圖l的拓樸結(jié)構(gòu) 獲得開關(guān)矢量的空間矢量圖，并把平面劃分為12個直角三角形區(qū)域，如圖 2所示，z、 cl/dl、 al、 bl構(gòu)成一個直角三角形，z、 c2/d3、 a2、 bl構(gòu)成一 個直角三角形......。當(dāng)空間矢量處于某一個直角三角形區(qū)域內(nèi)時(shí)，用直角
三角形的三個頂點(diǎn)和斜邊中點(diǎn)共4個開關(guān)矢量來合成所需要的電壓空間矢 量。例如，當(dāng)空間矢量處于直角三角形區(qū)域1內(nèi)時(shí)，由z、 cl/dl、 al、 bl 這4個開關(guān)矢量來合成，則矢量合成數(shù)學(xué)模型可以表示為下式
I 了、《,=V wa f A A +fc</ .《 (4)
按照上述條件簡化后得，
上述公式中，S表示零矢量；5表示大矢量；S表示中矢量；^表示小 矢量c,J,,如圖2所示；n表示電路中開關(guān)管的開關(guān)周期；t。表示所述零矢 量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，t。表示大矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，^表示中矢量 的作用時(shí)間，C表示小矢量c,對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間。
根據(jù)上述公式(3 )的已知條件解上述公式(5 )得<formula>formula see original document page 15</formula>
式中，m=|V|/E, P表示給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角。
如圖2所示，當(dāng)空間矢量處于a2、bl 、 z圍成的直角三角形區(qū);或2內(nèi)時(shí)， 同理可以求得各開關(guān)矢量的作用時(shí)間為<formula>formula see original document page 15</formula>
通過上述原理說明可見，本發(fā)明提供的新算法的優(yōu)點(diǎn)是(l)只需根據(jù)矢量 的相位角即可判斷出矢量處于哪個直角三角形區(qū)域，算法非常簡單(與判
斷扇區(qū)一樣簡單)；(2)每個扇區(qū)只分為2個區(qū)域，開關(guān)矢量作用時(shí)間只有 2組計(jì)算公式，比如公式(7)和(8)。
需要說明的是，以上簡化計(jì)算時(shí)小矢量完全用大矢量代替了，從矢量 合成的角度來說是可以的。但小矢量也有一定的作用，就是可以調(diào)節(jié)輸出 上、下兩個電容電壓的平衡(稱為輸出電壓的平衡)。例如矢量cl作用相 當(dāng)于給圖1中的電容C01充電，矢量dl作用相當(dāng)于給圖1中的電容C02 充電。所以可以再進(jìn)行如下改進(jìn)空間矢量由一個零矢量、 一個中矢量和 一個大矢量合成，按照(7)或(8)式求得它們分別作用的時(shí)間？。、 fa、 4。然 后再從大矢量的作用時(shí)間中分出一部分(比如10%)給小矢量，進(jìn)行輸 出電壓平衡的調(diào)節(jié)(例如分配固定的時(shí)間，，或者一定比例，或者根據(jù)輸出 電壓的不平衡度來分配等方法， 一般分配一小部分即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)平衡的功能)，當(dāng)然零矢量的作用時(shí)間化也做相應(yīng)的調(diào)整，以滿足各矢量的作用時(shí)間 之和等于周期7;。零矢量的作用時(shí)間大小對矢量合成是沒有影響的。這里 時(shí)間分配少見則:V下所示
<formula>formula see original document page 16</formula>(9)
其中，7V表示所述預(yù)設(shè)部分時(shí)間，這里的預(yù)設(shè)部分的時(shí)間分配有幾種方 法(1)所述大矢量對應(yīng)開關(guān)工作時(shí)間乘以一比例系數(shù)K ; (2)固定的時(shí)間； (3) —個隨中點(diǎn)電壓不平衡度的程度而變化的值；《表示所述零矢量對應(yīng)開 關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，z表示計(jì)算獲得的零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；/;'表示 所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，"表示計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的 工作時(shí)間；/;'表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，6表示計(jì)算獲得的 大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；《表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間。 以下就比例系數(shù)^取10%進(jìn)行詳細(xì)說明。
例如，矢量由z、 bl、 al合成，當(dāng)圖1中電容COl兩端的電壓Uc,小于 電容C02兩端的電壓Uc2時(shí)，al的作用時(shí)間分出一部分給cl(POO)，比如 al的作用時(shí)間變?yōu)?0% 反之，當(dāng)Ua大于Uc2時(shí)，al的作用時(shí)間分出 一部分給d 1 (ONN),計(jì)算規(guī)則如下所示
<formula>formula see original document page 16</formula>
式(10)或式(11)若算得tQ<0,則此時(shí)不再需要零矢量，即t。-o，把大 矢量的作用時(shí)間4里分配/fl的時(shí)間給小矢量即可，即t:(或t》z2t。 (12)
"々 t0=0
基于上述方法，在實(shí)際操作時(shí)可以針對每一個給定量采用上述流程進(jìn) 行反復(fù)建立數(shù)學(xué)模型，然后套用公式進(jìn)行計(jì)算。
此外，基于本發(fā)明SVPWM方法對矢量空間圖的劃分結(jié)構(gòu)，以下舉例 說明本發(fā)明應(yīng)用到編程上具體實(shí)現(xiàn)方式。如圖4所示，其給出了一種方法
流程示意圖。
步驟IOO、根據(jù)當(dāng)前給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角0,在空間矢量平
面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，判斷位于哪
個扇區(qū)；
步驟200、根據(jù)當(dāng)前給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的 輸入量；
步驟300、將獲得的電壓或電流輸入量輸入到當(dāng)前矢量合成數(shù)學(xué)模型
中，計(jì)算獲得整流或逆變電路中各開關(guān)的工作時(shí)間，在圖4中的具體實(shí)現(xiàn) 步驟如下
首先，令0 = 0-160°,采用歸一化算法將給定量對應(yīng)的空間矢量的相 位角轉(zhuǎn)換到參考扇區(qū)，如圖2所示，々i設(shè)參考扇區(qū)包括直角三角形區(qū)域1 和直角三角形區(qū)域2，其直角三角形區(qū)域1由z、 cl/dl、 al、 bl這4個開關(guān) 矢量構(gòu)成，而直角三角形區(qū)J或2由z、 c2/d2、 a2、 bl這4個開關(guān)矢量構(gòu)成， 那么，相應(yīng)的開關(guān)工作時(shí)間的計(jì)算為上述公式(7)或(8)。
然后，判斷^是否小于30°,如果是則說明其在參考扇區(qū)1內(nèi)套用公式
(7) 計(jì)算各開關(guān)對應(yīng)的時(shí)間，如果否，則說明其在參考扇區(qū)2內(nèi)套用公式
(8) 計(jì)算各開關(guān)對應(yīng)的時(shí)間。
其次，如果需要進(jìn)行中點(diǎn)電壓平衡控制，則需要從計(jì)算獲得的大矢量 對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間中，分出一預(yù)設(shè)部分時(shí)間給所述小矢量，并重新分配
17所述工作時(shí)間，用以調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓的平衡，其具體計(jì)算規(guī)則可以參見上述
公式(10)或(11)。
為了避免因預(yù)設(shè)部分時(shí)間分配過多而導(dǎo)致零矢量作用時(shí)間小于零的不 合理現(xiàn)象發(fā)生，還增加了一步判斷步驟，即判斷所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)
際工作時(shí)間是否小于零，若小于零，則去除零矢量，根據(jù)上迷公式(12) 對各個開關(guān)的工作時(shí)間重新賦值，即令7>式(9)中的=o - z ， " = 22，《=0 ，
《=6。
400、根據(jù)計(jì)算獲得的開關(guān)工作時(shí)間控制整流或逆變電路工作，按照當(dāng) 前給定量輸出。
當(dāng)空間矢量位于其它扇區(qū)時(shí)，直接將上述第300步驟中參考扇區(qū)的矢 量合成數(shù)學(xué)模型旋轉(zhuǎn)Kx60度，K為大于等于1的自然數(shù)后，進(jìn)行矢量計(jì)算。 這樣工作流程就不需要重復(fù)進(jìn)行直角三角形區(qū)域的查找過程，而可以直接 利用之前計(jì)算用的矢量合成數(shù)學(xué)模型，節(jié)省了操作步驟，從而減少了編程 步驟，降低了計(jì)算量。如圖2所示，這里的參考扇區(qū)選才奪了直角三角形區(qū) 域1和直角三角形區(qū)域2，所以開關(guān)作用時(shí)間的計(jì)算公式參見公式(7)和 公式(8);如果將參考扇區(qū)選擇在其他直角三角形區(qū)域的話，可以參見上 述公式推導(dǎo)過程的原理，獲得相應(yīng)的開關(guān)作用時(shí)間的計(jì)算公式，并套用圖4 所示的方法流程，實(shí)現(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)制。
綜上所述，本發(fā)明給出的這種新的SVPWM方法相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以 下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)
(1) 將空間矢量平面劃分為12個區(qū)域，數(shù)目少了一半。
(2) 只需要根據(jù)空間矢量的相位角，就可得出矢量所處的直角三角形區(qū) 域，這種區(qū)域判斷是非常簡單的，并且還減少了套用公式的數(shù)量，從圖4 所示的流程圖可以看出，本發(fā)明在進(jìn)行開關(guān)作用時(shí)間計(jì)算時(shí)，只需要套用 兩個計(jì)算公式即可。
(3) 每個直角三角形的頂點(diǎn)對應(yīng)的都是一個零矢量、 一個中矢量和一個電平電路類似的簡單算法，便于編程計(jì)算，降低了對 處理器的處理速度要求，乂人而降低了成本。
(4)推導(dǎo)出z、 al、 M構(gòu)成的直角三角形區(qū)域和z、 a2、 bl構(gòu)成的直角三 角形區(qū)域內(nèi)的開關(guān)矢量的作用時(shí)間計(jì)算公式后，其它的可以通過旋轉(zhuǎn)k*60 度后直接套用同樣的公式，更一步的便于編程計(jì)算，降低了對處理器的處 理速度要求，從而降低了成本。
同理，基于上述方法，本發(fā)明還可以通過編程或者添加硬件的方式在 現(xiàn)有的矢量控制器中增加相應(yīng)的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)上述功能。所以，本發(fā) 明提供的矢量控制器，如圖3所示，其包括采樣模塊，用于采樣電路的 輸出量，獲得輸出采樣量；調(diào)節(jié)器模塊，用于根據(jù)給定量和輸出采樣量的 差值，獲得對應(yīng)于給定量的電壓或電流輸入量；執(zhí)行單元，用于根據(jù)矢量 計(jì)算獲得的開關(guān)工作時(shí)間，控制整流或逆變電路輸出所述給定量。更主要 的是，其還包括查找模塊，用于根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角， 在空間矢量平面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū) 域，并以所述直角三角形區(qū)域的各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量 的空間矢量與各開關(guān)工作時(shí)間的矢量合成數(shù)學(xué)模型；計(jì)算模塊，用于將獲 得的電壓或電流輸入量輸入到所述矢量合成模型中，計(jì)算電路中各開關(guān)的 工作時(shí)間，并將所述工作時(shí)間輸出給所述執(zhí)行單元。并且，為了減少計(jì)算 量，在計(jì)算模塊中還添加有用于將給定量對應(yīng)的空間矢量的相位角進(jìn)行 歸一化計(jì)算轉(zhuǎn)換到參考扇區(qū)的單元；用于^^據(jù)所述相位角，選^^所述參考 扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型套用公式，并計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間 的單元。
為了實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓平衡調(diào)節(jié)，所述計(jì)算模塊還包括中點(diǎn)電壓平衡調(diào) 節(jié)單元，用于從計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間中分出 一預(yù)設(shè)部分 時(shí)間給所述小矢量，此大矢量指所述扇形塔域內(nèi)位于直角三角形斜邊頂點(diǎn) 的空間矢量，此小矢量指所述扇形區(qū)域內(nèi)位于直角三角形斜邊中點(diǎn)的空間矢量。上述各個功能;^塊的具體實(shí)現(xiàn)原理可以參見上迷方法的詳細(xì)說明。
圖1給出的三相電平PFC的拓樸結(jié)構(gòu)，其中開關(guān)管S1、 S2、 S3還可 以采用其他的變形形式，不過不管圖1是采用什么樣的開關(guān)管Sl、 S2、 S3 的變形結(jié)構(gòu)，或者其它的三相三電平整流/逆變電路，均可以適用本發(fā)明的 SVPWM方法和SVPWM控制器。上述各具體步驟的舉例說明較為具體， 并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明的專利保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專利保護(hù) 范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種用于三電平電路的空間矢量脈寬調(diào)制的方法，其特征在于，包括A、建立整流或逆變電路中各開關(guān)工作狀態(tài)的開關(guān)空間矢量平面圖，并用從此開關(guān)空間矢量平面圖中心起的射線將此空間矢量平面圖均分為12個直角三角形；B、根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，以所述直角三角形區(qū)域的各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各開關(guān)工作時(shí)間的矢量合成數(shù)學(xué)模型；C、根據(jù)給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的輸入量；D、將獲得的輸入量輸入到所述矢量合成數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算電路中各開關(guān)的工作時(shí)間，用以控制整流或逆變電路輸出所述給定量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述矢量合成數(shù)學(xué)模型為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，^;表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；2表示位于所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)的零矢量；2表示位于所述直角三角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量； ，表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢量平面圖中心點(diǎn)相連的直 角邊頂點(diǎn)的中矢量；5表示位于所述直角三角形斜邊中點(diǎn)的小矢量；7;表示 開關(guān)周期；/。表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的作用時(shí)間，^表示所述大矢量對應(yīng) 開關(guān)的作用時(shí)間，/2表示所述中矢量的作用時(shí)間，/3表示所述小矢量對應(yīng)開 關(guān)的作用時(shí)間。 -
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述矢量合成數(shù)學(xué)模型為 <formula>formula see original document page 3</formula>其中，&表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量；2表示位于所述直角三 角形斜邊頂點(diǎn)的大矢量；3表示位于所述直角三角形區(qū)域中與所述空間矢量 平面圖中心點(diǎn)相連的直角邊頂點(diǎn)的中矢量；r,表示開關(guān)周期；/;表示所述 零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，f'表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，《表 示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步驟D包括以 下步驟Dl、采用歸一化算法，將給定量對應(yīng)的空間矢量的相位角轉(zhuǎn)換到參考 扇區(qū)；D2、根據(jù)所述相位角，選擇所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型套用公 式，計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；D3、從計(jì)算獲得的所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間中，分出一預(yù)設(shè)部 分時(shí)間給所述小矢量，并重新分配所述工作時(shí)間，用以調(diào)節(jié)中點(diǎn)電壓的平衡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟D3中，所述 重新分配規(guī)則如下所示<formula>formula see original document page 3</formula>其中，W表示所述預(yù)設(shè)部分時(shí)間；《表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工 作時(shí)間，z表示計(jì)算獲得的零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；"'表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，a表示計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間； 《表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，6表示計(jì)算獲得的中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；《表示所述小矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟D2中，利用 所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型，計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間套 用如下公式<formula>formula see original document page 4</formula>其中，r,表示開關(guān)周期；z表示所述零矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，"表 示所述大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間，表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；附叫"/e, iFi表示給定量對應(yīng)于的空間參考矢量^;的電壓幅值，五表示給所述大矢量的長度，6表示給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，若所述零矢量對應(yīng)開關(guān) 的實(shí)際工作時(shí)間小于零，則去除所述零矢量，對各個開關(guān)的工作時(shí)間重新 賦值，令/「 = "-z，《=2z, f;' = 0,《=6,其中，"'表示所述大矢量對應(yīng)開關(guān) 的實(shí)際工作時(shí)間，《表示計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間；《表示所 述小矢量對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際工作時(shí)間，z表示計(jì)算獲得的零矢量對應(yīng)開關(guān)的工 作時(shí)間，6表示所述中矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間。
8、 一種空間矢量脈寬調(diào)制控制器，所述控制器包括采樣模塊，用于采樣電路的輸出量，獲得輸出采樣量；調(diào)節(jié)器模塊，用于根據(jù)給定量和輸出采樣量的差值，獲得對應(yīng)于給定量的電壓或電流輸入量；執(zhí)行單元，用于根據(jù)矢量計(jì)算獲得的開關(guān)工作時(shí)間，控制整流或逆變 電路輸出所述給定量；其特征在于，所述控制器還包括查找模塊，用于根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平 面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，并以所述直 角三角形區(qū)域的各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各 開關(guān)工作時(shí)間的矢量合成數(shù)學(xué)模型；計(jì)算模塊，用于將獲得的電壓或電流輸入量輸入到所述矢量合成模型 中，計(jì)算電路中各開關(guān)的工作時(shí)間，并將所述工作時(shí)間輸出給所述執(zhí)行單 元。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制器，其特征在于，所述計(jì)算模塊包括 用于將給定量對應(yīng)的空間矢量的相位角進(jìn)行歸一化計(jì)算轉(zhuǎn)換到參考扇區(qū)的單元；用于根據(jù)所述相位角，選擇所述參考扇區(qū)的矢量合成數(shù)學(xué)模型套用公 式，并計(jì)算各個矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí)間的單元。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其特征在于，所述計(jì)算模塊還包括中點(diǎn)電壓平衡調(diào)節(jié)單元，用于從計(jì)算獲得的大矢量對應(yīng)開關(guān)的工作時(shí) 間中分出 一預(yù)設(shè)部分時(shí)間給所述小矢量，此大矢量指所述扇形區(qū)域內(nèi)位于 直角三角形斜邊頂點(diǎn)的空間矢量，此小矢量指所述扇形區(qū)域內(nèi)位于直角三 角形斜邊中點(diǎn)的空間矢量。 .
全文摘要
本發(fā)明公開了三電平電路的一種空間矢量脈寬調(diào)制控制器及其控制方法，其包括查找模塊，用于根據(jù)給定量所對應(yīng)空間矢量的相位角，在空間矢量平面圖中查找給定量對應(yīng)的空間矢量所位于的直角三角形區(qū)域，并以所述直角三角形區(qū)域的各頂點(diǎn)對應(yīng)的開關(guān)矢量為常量建立給定量的空間矢量與各開關(guān)工作時(shí)間的矢量合成數(shù)學(xué)模型；計(jì)算模塊，用于將獲得的電壓或電流輸入量輸入到所述矢量合成模型中，計(jì)算電路中各開關(guān)的工作時(shí)間，并將所述工作時(shí)間輸出給所述執(zhí)行單元。本發(fā)明簡化了空間矢量脈寬調(diào)制的控制算法，降低了編程成本，以及硬件成本。
文檔編號H02P27/04GK101667806SQ200910145279
公開日2010年3月10日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者鐘宇明 申請人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院