一种交流电机变开关频率PWM转矩脉动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于交流电机的变开关频率PWM转矩脉动控制方法，该系统主要包括转矩脉动预测模块与开关周期更新模块。本发明专利技术以PWM转矩脉动峰值为控制对象，基于两电平电流纹波实时预测模型，建立了PWM转矩脉动预测算法。应用该预测算法，以PWM转矩脉动峰值为控制对象，改变两电平电压源逆变器开关频率。相对于固定开关频率PWM控制(CSFPWM)，变开关频率PWM控制(VSFPWM)可有效降低逆变器平均开关频率，从而减小开关损耗，同时可有效改善电机驱动系统的EMI噪声。

AC motor variable switching frequency PWM torque ripple control method

The invention discloses a variable switching frequency PWM torque ripple control method which is suitable for an alternating current motor. In this paper, the PWM torque ripple peak is taken as the control object. Based on the two level current ripple real-time prediction model, the PWM torque ripple prediction algorithm is established. By using this algorithm, the switching frequency of the two level voltage source inverter is changed with the peak value of PWM torque ripple as the control object. Compared with the fixed switching frequency PWM control (CSFPWM), variable switching frequency PWM control (VSFPWM) can effectively reduce the average switching frequency inverter, thereby reducing switching losses and EMI noise, can effectively improve the motor drive system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电压源变开关频率领域，更具体地，涉及一种基于PWM转矩脉动实时预测模型的两电平电压源变开关频率。
技术介绍
在现代交流电机驱动系统中，转矩脉动是衡量整个系统的重要参数，转矩脉动会给电机系统带来振动、听觉等噪声，在许多应用场合，其直接关系到整个系统的运行质量。电机转矩脉动的产生主要来源于两个方面，其一，在电机设计过程中，电机转矩脉动直接和电机结构相关联，此部分转矩脉动主要和反电势基波频率及其谐波相关联；其二，由于逆变器并非理想的正弦电源，而是用一系列的PWM波通过数字的手段去模拟所需正弦电压波形，因而电机驱动装置势必给电机带来转矩脉动，这部分脉动主要和逆变器开关频率及其谐波相关联。针对于前者的来源产生，主要从改善电机结构的角度出发，来优化电机转矩脉动；后者的改善方法依赖于对PWM调制方法的优化。当前针对于PWM转矩脉动已取得了很多成果，现有方法主要提出了一些模型预测电机控制算法，但是上述的模型预测电机控制算法相比于传统的电机矢量控制更加复杂。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于转矩脉动实时预测模型的交流电机变开关频率PWM转矩脉动方法，建立了两电平逆变器PWM转矩脉动实时预测模型，其目的在于基于PWM转矩脉动实时预测模型，以PWM转矩脉动峰值Tripple_max作为控制对象，降低电机驱动系统开关损耗并减小EMI噪声峰值。PWM转矩脉动和电机绕组的PWM电流纹波有着直接关联。逆变器输出的电压波形为一系列PWM波，而电机反电势为连续正弦电压波形，两者的电压差值直接降落在了绕组电感上，由此产生了电流纹波。然而电机的电磁转矩直接由绕组电流产生，因此PWM电流纹波将会对电机产生PWM转矩脉动。本专利技术明确了PWM电流纹波和PWM转矩脉动之间的关系，由此可有效预测PWM转矩脉动轨迹，从而对逆变器进行变开关频率控制，有效的减少了电机驱动系统的开关损耗并降低了电机驱动系统的EMI噪声峰值。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了PWM转矩脉动预测算法。PWM转矩脉动来源于三相实际电流纹波，本专利技术基于电流纹波通用预测模型，在单个载波周期内，给定三相占空比，对三相电流纹波进行预测。结合交流电机矢量控制方法，通过坐标变换，即可预测出PWM转矩脉动波形。本专利技术还提供了基于PWM转矩脉动峰值要求的开关周期更新方法，在单个开关周期内，开关周期越长，转矩脉动限定值亦成正比增加，若确定PWM转矩脉动限定值Tripple_re，则可根据实时预测PWM转矩脉动峰值Tripple_max和固定开关频率TsN，更新开关周期值总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)该PWM转矩脉动预测模型针对于两电平任意相电压源逆变器拓扑，预测过程所需参数少，计算简单，实用性强。(2)该VSFPWM交流电机控制算法，可将每个PWM转矩脉动峰值都控制在限定值(对应于CSFPWM控制的PWM转矩脉动限定值)，相比于传统的CSFPWM控制，VSFPWM转矩脉动峰值分布更加均匀。(3)该变开关频率PWM(VSFPWM)相比于CSFPWM，开关频率在固定开关频率以下按照一定规律变化，能有效的降低交流电机驱动系统平均开关频率，从而有效降低开关损耗；(4)由于VSFPWM开关频率在一定范围变化，相应的其PWM转矩脉动谐波拥有更宽泛的频谱，从而该变开关频率PWM(VSFPWM)能明显的降低固定开关频率PWM(CSFPWM)转矩脉动频域峰值和EMI噪声峰值，改善电机驱动系统性能。附图说明图1是按照本专利技术实现的交流电机驱动系统等效结构示意图；图2是按照本专利技术实现的两电平电压源逆变器的单相电流纹波预测电路模型示意图；图3是按照本专利技术实现的单个开关周期内的PWM转矩脉动实时预测流程示意图；图4是按照本专利技术实现的单个开关周期内的单相电流纹波预测示意图；图5是按照本专利技术实现的变开关频率PWM转矩脉动控制实现框图；图6是按照本专利技术实现的开关周期更新模块组成结构示意图；图7是按照本专利技术实现的在母线电压120V、转速750rpm实验条件下PWM转矩脉动的效果比较示意图；图8是按照本专利技术实现的在如图7的试验条件下的开关频率结果比较示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。针对变开关频率PWM在电机转矩脉动应用上的空白，本专利技术建立了两电平逆变器通用电流纹波实时预测模型，基于电流纹波与PWM转矩脉动之间的关系，在电机采用矢量控制的前提下，以PWM转矩脉动峰值Tripple_max为控制对象，来降低逆变器开关损耗并减小EMI噪声峰值。变开关频率PWM(VSFPWM)与固定开关频率PWM(CSFPWM)有着相同的PWM转矩脉动限定值。VSFPWM相比于CSFPWM，开关频率是在固定开关频率以下变化，有着更宽的频谱分布，EMI噪声峰值更低，并有效降低了开关损耗。由此，本专利技术中率先提出了变开关频率在交流电机转矩脉动上的控制应用，有效降低了电机驱动系统开关损耗与EMI噪声。如图1所示，本专利技术针对上述的两电平电压电源逆变器，如图2所示，每相输出电压VBK相对于直流母线中点共有两个电压状态(Vdc/2,-Vdc/2),其中Vdc为直流母线电压。如图2所示的单相电流纹波预测电路模型中，单相电流纹波预测模型中，单个开关周期内，L为第K相电感，VBK为第K相逆变器输出电压，包括(Vdc/2,-Vdc/2)，VmK为平均输出电压，Vcm为n相逆变器输出电压引起的共模电压，Vl_cm为n相平均输出电压引起的共模电压。其中，(dK为第K相占空比)，Vl_cm＝dcm×Vdc/2(对于SVPWM：对于SPWM：dcm＝0)。通过以上模型，在单个周期内读入n相占空比(d1,d2,d3......dn),通过公式可计算出单个开关周期内各个时间段内纹波电流斜率同时可通过n相占空比计算各小段的对应时间。通过以上计算方法，可以实时读入n相占空比，预测出该开关周期内电流纹波。具体预测流程如图3：(1)读入三相电压调制信号采样值(da,db,dc)后，首先，进行载波比较；(2)载波比较后的结果，对于三相PWM波共有6个边沿变化，所述整个载波周期内，将载波周期分成了7段；如图4所示，三相占空比给定，随之对应7电压作用时间(3)通过计算每段作用在输出电感上的电压，便可将电流纹波斜率(di/dt)求得；(4)由三相占空比和固定开关周期(TsN)，可分别求出每段实际作用时间(ΔT)；(5)计算出此载波周期内，电流纹波各转折点某个开关周期内某相电流纹波轨迹如图4所示；(6)通过以上步骤，在单个开关周期内，各相电流纹波轨迹均可预测，再结合电机矢量控制的方法，在dq旋转坐标系下，电机转矩方程为其中Pn为电机极对数，ψf为转子磁链，Ld、Lq为定子dq轴电感，id、iq为定子dq轴电流。转子磁链定向到d轴，控制d轴电流为0，则电机的转矩公式可写为以PWM转矩纹波为对象，将三相纹波电流经过ab-dq坐标变换求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流电机的变开关频率PWM转矩脉动控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：(1)实时计算开关周期内的电流纹波；(2)依据所述步骤(1)中获得的电流纹波求出PWM转矩脉动；(3)依据所述步骤(2)中获得的转矩脉动对开关周期进行更新；(4)重复所述步骤(1)～(3)由此实现所述开关频率的变化。

【技术特征摘要】
1.一种交流电机的变开关频率PWM转矩脉动控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：(1)实时计算开关周期内的电流纹波；(2)依据所述步骤(1)中获得的电流纹波求出PWM转矩脉动；(3)依据所述步骤(2)中获得的转矩脉动对开关周期进行更新；(4)重复所述步骤(1)～(3)由此实现所述开关频率的变化。2.如权利要求1所述的交流电机的变开关频率PWM转矩控制方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括如下子步骤：(1-1)对三相电压调制信号进行采样，得到三相采样值da,db,dc，所述三相PWM波控制信号共有6个边沿变化，在所述整个载波周期内，将三相载波分成7段；(1-2)计算每段作用在输出电感上的电压，获得电流纹波斜率di/dt；(1-3)由三相占空比和固定开关周期TsN，分别求出每段实际作用时间ΔT；(1-4)计算出此载波周期内，电流纹波各转折点3.如权利要求2所述的交流电机的变开关频率PWM转矩控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下子步骤：由电机矢量控制，在dq旋转坐标系下，电机转矩方程为其中Pn为电机极对数，ψf为转子磁链，Ld、Lq为定子dq轴电感，id、iq为定子dq轴电流；转子磁链定向到d轴，控制d轴电流为0，则电机的转矩公式为以PWM转矩纹波为对象，将三相纹波...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，李桥，韩寻，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42