一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法技术

本发明专利技术公开一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，在一个控制周期的每个开关周期都对高频逆变器输出的电压矢量在静止坐标系下的角度进行转动，转动角度为一个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度，并对输出电压矢量的角度进行补偿，补偿角度为半个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度；每个开关周期中都计算下一个开关周期在ABC静止坐标系下的电压参考矢量，从而补偿PWM波生成器的延迟一拍特性。此种控制方法充分发挥了高开关频率的优势，可以提高逆变器输出电压矢量与参考电压矢量的接近程度，提高逆变器输出电流的正弦度，显著提高控制效果。

A low control frequency control method of high switching frequency inverter

【技术实现步骤摘要】
一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法
本专利技术属于逆变器控制领域，特别涉及一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法。
技术介绍
得益于高频宽禁带器件——碳化硅(SiliconCarbide，SiC)器件和氮化镓(GalliumNitride，GaN)器件的发展，现在可以使用高频器件制作高开关频率逆变器(HighSwitchingFrequencyInverter，HSFI)来应对一些需要高频驱动的场合以提高控制效果，如使用高开关频率逆变器对高频永磁同步电机(HighFrequencyPermanentMagnetSynchronousMotor，HFPMSM)进行控制可以显著减小电流纹波。使用宽禁带器件制作的高开关频率逆变器的在中小功率场合可以将开关频率提高至数百千赫兹，远高于使用硅(Silicon，Si)器件制作的普通逆变器。在控制高开关频率逆变器时，使用的控制频率通常难以达到与开关频率一样高，以控制高频永磁同步电机为例，其原因主要有：高频采样困难；控制器的计算资源有限；高频永磁同步电机的控制程序复杂，电流环节需要精确离散化，并通常结合无位置传感器算法、自适应算法以及参数辨识算法等算法。所以，即使高开关频率逆变器的开关频率可以达到数百千赫兹，其控制频率通常只能达到几十千赫兹，这就导致了高开关频率、低控制频率的逆变器控制场合的出现，其主要特点是一个控制周期内包含多个开关周期。对于上述高开关频率、低控制频率的逆变器控制场合，现有技术不针对高开关频率做特殊处理，其控制方法与开关频率等于控制频率的控制方法相同，只是控制器输出的PWM信号的频率为开关频率。专利技术人经研究发现，现有的高开关频率、低控制频率的逆变器控制技术存在如下问题：虽然可以依靠高开关频率减小负载电流纹波，但电压参考值的更新频率仅为控制频率，使得输出电压矢量严重偏移参考电压矢量，导致电流波形严重畸形，没有充分利用高开关频率。基于以上不足，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，该控制方法充分发挥了高开关频率的优势，可以提高逆变器输出电压矢量与参考电压矢量的接近程度，提高逆变器输出电流的正弦度，显著提高控制效果。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，在一个控制周期的每个开关周期都对高频逆变器输出的电压矢量在静止坐标系下的角度进行补偿，补偿角度为半个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度。每个开关周期中都计算下一个开关周期在ABC静止坐标系下的电压参考矢量，来补偿PWM波生成器的延迟一拍特性；在每个控制周期的最后一个开关周期之前完成控制器控制程序的计算，从而在最后一个开关周期里可以计算下一个控制周期的第1个开关周期的电压参考值；上述特征可表示为，在第k个控制周期的第i个开关周期中PWM波生成器所使用的电压参考向量表达式为其中设每个控制周期中有q个开关周期，TiPark(θ)为反Park变换矩阵，θ[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角度，ω[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角速度，为第k个控制周期内在dq旋转坐标系下的电压参考矢量，Tsw为开关周期。高频逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在ABC静止坐标系下的表达式如式(2)(3)所示；高频逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在dq旋转坐标系下的表达式如(4)(5)所示；其中TiPark(θ)为反Park变换矩阵，Tr(θ)为两相坐标系旋转矩阵，θ[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角度，ω[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角速度，为第k个控制周期内在dq旋转坐标系下的电压参考矢量；在建立控制系统的模型时，模型在第k个控制周期中的逆变器输出电压在ABC静止坐标系下的表达式如式(2)(3)所示，在dq旋转坐标系下的表达式如式(4)(5)所示。高频逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在ABC静止坐标系下的近似表达式如式(6)所示；高频逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在dq旋转坐标系下的近似表达式如式(7)所示；其中TiPark(θ)为反Park变换矩阵，θ[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角度，ω[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角速度，为第k个控制周期内在dq旋转坐标系下的电压参考矢量；在建立控制系统的模型时，模型在第k个控制周期中的逆变器输出电压在ABC静止坐标系下的表达式如式(6)所示，在dq旋转坐标系下的表达式如式(7)所示。具体来说，本专利技术包括下述步骤：(1)在第k-1个控制周期Tc内，建立在dq旋转坐标系下的电流控制器ACR计算得出dq坐标系下的电压参考值根据数字控制系统延迟一拍的特点可知，此即为第k个控制周期在dq坐标系下的的电压参考值，将其写为在第k-1个控制周期内，通过编码器解码或无位置观测器等程序得到了第k个控制周期起始时刻，即t＝kTc时的dq坐标系在静止坐标系下的电角度θ[k]和电角速度ω[k]。(2)在第k个控制周期到来时，即t＝kTc时，第k个控制周期中的第1个开关周期也同时到来，此时同时触发控制周期中断和开关周期中断。由于开关周期中断优先级高于控制周期中断，故优先运行开关周期中断中的电压切换程序，该程序更新ABC坐标系下的电压参考值为θk,i＝θ[k]+(1.5)ω[k]Tsw(8)随着ABC坐标系下电压参考值的更新，单片机或者DSP输出的PWM控制信号的占空比也会相应改变，从而改善对逆变器的控制。(3)第k个控制周期的第2～q-1个开关周期到来时，开关周期中断触发，由于其中断优先级较高，故主控制程序暂停运行，优先运行开关周期中断中的电压切换程序，该程序更新ABC坐标系下的电压参考值为其中θk,i＝θ[k]+(i+0.5)ω[k]Tsw,i＝2,3,…,q-1(10)(4)在第k个控制周期的第q个开关周期到来时，开关周期中断触发，故主控制程序暂停运行，优先运行开关周期中断中的电压切换程序。由于PWM信号生成环节存在延迟一拍特性，故第k个控制周期的第q个开关周期中设置的电压参考值应该为第k+1个控制周期的第1个开关周期的电压参考值，故更新ABC坐标系下的电压参考值为这也说明，使用本控制方法时必须在每个控制周期的前q-1个开关周期中完成主控制程序的运算，从而得到θ[k+1]和ω[k+1]等值，供式(11)的计算使用。(5)采用本方法对高开关频率逆变器进行控制后，在第k个控制周期中逆变器输出电压矢量在ABC静止坐标系上的表达式为其中在ω[k]Tsw的值很小时，可以近似认为电压矢量在匀速旋转，即式(12)可以写为采用上述步骤对高开关频率逆变器进行控制后，在第k个控制周期中逆变器输出电压矢量在dq旋转坐标系上的表达式为其中其中Tr(θ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：在一个控制周期的每个开关周期中都对高开关频率逆变器输出的电压矢量在静止坐标系下的角度进行转动，转动的角度为一个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：在一个控制周期的每个开关周期中都对高开关频率逆变器输出的电压矢量在静止坐标系下的角度进行转动，转动的角度为一个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度。


2.如权利要求1所述的高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：每个开关周期中都对逆变器输出的ABC静止坐标系下的电压矢量进行角度补偿，补偿的角度为半个开关周期内dq旋转坐标系转过的角度，从而使逆变器输出电压矢量与参考电压矢量的角度偏差最小；每个开关周期中都计算下一个开关周期在ABC静止坐标系下的电压参考矢量，从而补偿PWM波生成器的延迟一拍特性；在每个控制周期的最后一个开关周期到来之前完成主控制程序的计算，并在最后一个开关周期里计算下一个控制周期的第1个开关周期的电压参考值。


3.如权利要求2所述的高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：在第k个控制周期的第i个开关周期中PWM波生成器所使用的电压参考向量表达式为



其中，设每个控制周期中有q个开关周期，TiPark(θ)为反Park变换矩阵，θ[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角度，ω[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角速度，为第k个控制周期内在dq旋转坐标系下的电压参考矢量，Tsw为开关周期。


4.如权利要求2所述的高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：所述高开关频率逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在ABC静止坐标系下的表达式如式2、3所示；






高开关频率逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在dq旋转坐标系下的表达式如式4、5所示；






其中TiPark(θ)为反Park变换矩阵，Tr(θ)为两相坐标系旋转矩阵，θ[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角度，ω[k]为第k个控制周期起始时刻的电机电角速度，为第k个控制周期内在dq旋转坐标系下的电压参考矢量。


5.如权利要求4所述的高开关频率逆变器的低控制频率控制方法，其特征在于：所述高开关频率逆变器在第k个控制周期内输出的电压矢量在ABC静止坐标系下的近似表达式如式6所示；



高开关频率逆变器在第k个控...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄允凯，张津栋，彭飞，姚宇，祝子冲，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32