隨機空間矢量pwm策略轉換方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于交流變頻技術領域，具體涉及一種能實現(xiàn)不同隨機空間矢量PWM策略 之間相互轉換的方法。
【背景技術】
[0002] 逆變器可以將直流電轉換為頻率與幅值可變的交流電，廣泛應用于日常生活及工 農業(yè)生產中。例如，在電動汽車中，將電池輸出的直流電轉換為交流電，進而驅動三相交流 電機。由于結構簡單可靠，如圖1所示的兩電平三相電壓源逆變器應用最為廣泛。但是，普 遍采用的空間矢量PWM(SVPWM)技術按照"伏一秒平衡"時間平均等效的原理工作，逆變器 輸出的電壓除了正弦的基波電壓之外，還包含大量的諧波，引起諧波畸變。諧波帶來能量損 耗，引起電機發(fā)熱；低頻諧波還能夠引起轉矩脈動，進而導致機械振動，引起聲頻噪聲；陡 峭的脈沖還引發(fā)了嚴重的電磁干擾，影響其他電子設備的正常運行。提高開關頻率可以降 低諧波畸變，但逆變器中開關器件的工作頻率有物理上限制，而且提高開關頻率會增加開 關損耗。確定性SVPWM策略下逆變器輸出電壓中包含的大幅值諧波主要集中在開關頻率的 整數(shù)倍附近，這些大幅值諧波可能加重電磁干擾等，并帶來其他不良效應。
[0003] SVPWM技術的"伏一秒平衡"原理只規(guī)定了基本電壓矢量作用的時間，并未規(guī)定其 作用的順序及分布，這就為大量調制策略的出現(xiàn)提供了可能。兩個零矢量作用時間可以按 照任意比例進行分配，也可以分為多個時間段進行作用；非零基本電壓矢量作用時間也可 分為多段進行，作用次序可以任意排列。科研工作者及工程技術人員將這些因素隨機化，開 發(fā)出了大量的隨機化策略，如：（1)隨機開關頻率PWM(RSFPWM):只有開關頻率參與隨機化， 隨機化維數(shù)為1 ; (2)隨機脈沖位置PWM(RPPPWM):在保持基本電壓矢量作用順序及作用時 間的前提下，三相的高電平隨機移動，隨機化維數(shù)為3; (3)隨機零矢量分配PWM(RZDPWM): 基本電壓矢量中的兩個零電壓矢量的作用時間在比例上隨機分配，隨機化維數(shù)為1 ; (4)混 合隨機PWM(HRPWM):若干種單一隨機化策略的結合使用。
[0004] 由于兩電平三相逆變器及SVPWM的廣泛應用，一些微控制器/數(shù)字信號處理器芯 片中已經集成了生成確定性SVPWM控制信號脈沖的相關模塊，大大簡化了 SVPWM技術的應 用，提高了系統(tǒng)的可靠性與運行效率。
[0005] 隨機SVPWM技術可以極大地削弱確定性SVPWM技術集簇諧波的峰值，在改善電磁 兼容性能等方面具有很好的效果。但是，不同的隨機SVPWM策略實現(xiàn)的復雜度差別很大，有 的隨機SVPWM策略只需要在現(xiàn)有的微控制器/數(shù)字信號處理器芯片上稍作軟件上的改動 即可很好地應用，有的則非常復雜。如RZDPWM策略實現(xiàn)起來很簡單，只需要將傳統(tǒng)的兩個 零矢量作用時間分配比例〇. 5替換為隨機數(shù)即可，并且不影響在開關周期中間進行電流采 樣，對控制系統(tǒng)不產生其他影響；而RPPPWM策略實現(xiàn)起來就比較復雜，它要求微控制器/數(shù) 字信號處理器芯片能夠產生不對稱的PWM波形。
[0006] 某種程度上，不同的隨機SVPWM策略在削弱確定性SVPWM技術的集簇諧波峰值的 效果上具有等價性，也就是說，相同的削弱效果可以通過不同的隨機化策略實現(xiàn)。而且，盡 管隨機PWM概念的提出已經有20多年的歷史，一些隨機SVPWM策略已經具有很強實用價 值；但是很多隨機SVPWM策略在實現(xiàn)方面方還存在著大量的技術問題需要解決。隨機化帶 來集簇諧波峰值削弱的良好效果的同時，也增加了應用與新策略研宄開發(fā)的難度。如何將 那些復雜的隨機SVPWM策略等效轉換為容易實現(xiàn)的隨機SVPWM策略、以及如何通過等效轉 換研宄開發(fā)新的隨機SVPWM策略，這些都是亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對隨機空間矢量PWM(SVPWM)技術的隨機化引起不同策略的等效轉換關系復 雜、大量隨機化策略具體實現(xiàn)起來困難等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種隨機空間矢量 PWM策略轉換方法，以解決上述問題。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下所描述： 一種隨機空間矢量PWM策略轉換方法，在實現(xiàn)隨機空間矢量PWM策略轉換的過程中，將 隨機化維數(shù)為Ml的PWM策略STl向隨機化維數(shù)為M2的PWM策略ST2轉換時，包括以下步 驟： 51 :生成所述PWM策略STl的隨機數(shù)矩陣RS1，所述隨機數(shù)矩陣RSl的行數(shù)與列數(shù)分別 為Ml與Nl，根據(jù)生成的所述隨機數(shù)矩陣RSl計算所述PWM策略STl下逆變器輸出的電壓脈 沖信號，采集輸出電壓的數(shù)字信號SIGl ; 52 :用快速傅里葉變換計算所述數(shù)字信號SIGl的頻譜特性FSl的值，所述頻譜特性 FSl包括幅頻特性ASl與相頻特性PSl ; 53 :將所述PWM策略ST2的隨機數(shù)矩陣RS2的所有元素設為未知變量，所述隨機數(shù)矩陣 RS2的行數(shù)與列數(shù)分別為M2與N2, 一共對應于M2 X N2個未知變量，計算所述PWM策略ST2 下逆變器輸出的電壓脈沖信號，并采集得到輸出電壓的數(shù)字信號SIG2的數(shù)學表達式，所述 數(shù)字信號SIG2中包含了代表所述隨機數(shù)矩陣RS2的M2 XN2個未知變量； 54 :用離散傅里葉變換計算所述數(shù)字信號SIG2的頻譜特性FS2的數(shù)學表達式，所述頻 譜特性FS2包括幅頻特性AS2與相頻特性PS2 ; 55 :構造所述PWM策略STl向所述PWM策略ST2轉換的目標函數(shù)，用大規(guī)模優(yōu)化算法進 行優(yōu)化，得到代表所述隨機數(shù)矩陣RS2的M2 XN2個未知變量的值。
[0009] 進一步地，步驟S5中所述目標函數(shù)為所述PWM策略STl與所述PWM策略ST2的幅 頻特性之差與相頻特性之差的平方和，即所述幅頻特性ASl與所述幅頻特性AS2之差的平 方和，加上所述相頻特性PSl與所述相頻特性PS2之差的平方和。
[0010] 進一步地，當優(yōu)化得不到設定精度的代表所述隨機數(shù)矩陣RS2的M2XN2個未知變 量的值時，構造所述目標函數(shù)時舍棄相頻特性之差的平方和，即所述目標函數(shù)為所述幅頻 特性ASl與所述幅頻特性AS2之差的平方和。
[0011] 進一步地，步驟Sl與S3中的信號采樣只在調制波的基波的整數(shù)倍周期內進行，采 樣時間記為T。
[0012] 進一步地，在所述采樣時間T內，開關周期的個數(shù)K為所述隨機數(shù)矩陣RSl的列數(shù) Nl的整數(shù)倍，開關周期的個數(shù)K為所述隨機數(shù)矩陣RS2的列數(shù)N2的整數(shù)倍。
[0013] 進一步地，代表所述隨機數(shù)矩陣RS2的列數(shù)N2由優(yōu)化過程確定。
[0014] 進一步地，構造所述目標函數(shù)時，設置了至少一個矩形窗函數(shù)，窗函數(shù)之外的頻譜 特性在優(yōu)化時不參與計算。
[0015]進一步地，優(yōu)化過程為：取N2=nXNl，從n=l開始每次遞增1進行大規(guī)模優(yōu)化，直 到得到設定精度的解或N2的值大于K為止。
[0016]更進一步地，將調制比與調制波的基波頻率都離散化，離散的網格點上所述基波 頻率對應的所述基波周期為所述開關周期的整數(shù)倍。
[0017] 再進一步地，只優(yōu)化計算離散化網格上對應的轉換關系，在每個網格點上分別進 行優(yōu)化計算，非網格點上的轉換關系用最臨近的網格點上的關系代替。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有顯著的優(yōu)點和有益效果： (1)本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法，在頻譜特性不變的情況下實現(xiàn)不 同隨機SVPWM策略之間的相互轉換。將具體實現(xiàn)起來困難的隨機SVPWM策略轉換為實現(xiàn)起 來方便的策略，方便隨機SVPWM技術的應用。
[0019] (2)本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法，通過離散傅里葉變換計算頻 譜特性，以頻譜特性一致建立目標函數(shù)，并用大規(guī)模優(yōu)化算法實現(xiàn)不同隨機SVPWM策略之 間轉換的求解，充分利用了現(xiàn)代計算機及工程優(yōu)化軟件優(yōu)越的數(shù)值計算性能，規(guī)避了復雜 的數(shù)學公式推導與計算，方便了工程應用。
[0020] (3)在本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法中，目標函數(shù)采用平方和的 形式，保證了目標函數(shù)的連續(xù)性，為利用成熟的大規(guī)模優(yōu)化算法求解提供了保證，能極大地 提高轉換的精度。
[0021] (4)本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法中，構造目標函數(shù)時舍棄相頻 特性，充分考慮了 SVPWM技術中諧波幅值帶來的不良效應，剔除影響小的相位信息，降低了 優(yōu)化求解過程的復雜性，提高了優(yōu)化求解的效率。
[0022] (5)本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法，在調制波的基波的整數(shù)倍周 期內進行等效，使原本復雜問題得以簡化，符合工程技術的思維，方便實際應用。
[0023] (6)本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法中，設置了矩形窗函數(shù)，充分考 慮了實際的工程應用。在實際應用中，通常只需要處理一些特定頻段諧波引起的干擾等不 良效應，這些頻段之外的不予考慮。矩形窗函數(shù)可以將這些特定頻段之外的諧波成分從目 標函數(shù)中剔除，大大降低了優(yōu)化函數(shù)的復雜度，提高了優(yōu)化的精度與效率。
【附圖說明】
[0024] 圖1為兩電平三相逆變器與電動機連接方法示意圖； 圖2本發(fā)明提供的隨機空間矢量PWM策略轉換方法步驟圖； 圖3為本發(fā)明中基波周期、開關周期、采樣時間、隨機數(shù)矩陣間的關系圖； 圖4為本發(fā)明中頻譜加矩形窗前后示意圖； 圖5為基本電壓