电机控制杂谈——基于偏置电压注入的载波PWM策略/简化版SVPWM

news2024/7/30 14:58:53

1.前言

SVPWM策略需要非常繁琐的计算过程(扇区判断、电压矢量作用时间计算、各相开关切换顺序排布、各相开关切换时间计算,同时SVPWM还存在大量的查表法)。这在一定程度上限制了控制频率的提高(因为SVPWM计算复杂,会占用大量的芯片资源)。

采用基于偏置电压注入的载波PWM策略,实现与SVPWM完全等效的调制效果,一方面可以减少控制算法占用的内存,另一方面可以缩短计算时间,继而提高控制频率。

2.基于偏置电压注入的载波PWM策略

基于偏置电压注入的载波PWM策略如下图所示。参考 Sang-Hoon Kim大神的 《Electric Motor Control》。

https://www.zhihu.com/question/447336075/answer/3490495950icon-default.png?t=N7T8https://www.zhihu.com/question/447336075/answer/3490495950

其原理就是,电流环PI调节器得到d-q轴的参考电压ud_ref和uq_ref之后,通过坐标变换直接得到静止三相坐标ABC下的参考电压ua_ref,ub_ref,uc_ref;接着计算偏置电压uoffset=-0.5*(umax+umin),其中umax=max[ua_ref,ub_ref,uc_ref],umin=min[ua_ref,ub_ref,uc_ref]。

至于为什么偏置电压uoffset=-0.5*(umax+umin),这个问题在知乎上就有大佬推导过。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/642428138icon-default.png?t=N7T8https://zhuanlan.zhihu.com/p/642428138

https://zhuanlan.zhihu.com/p/554119637icon-default.png?t=N7T8https://zhuanlan.zhihu.com/p/554119637

或者也可以参考文献:

1.K. Zhou and D. Wang, “Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: a comprehensive analysis [threephase inverters],” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, no. 1, pp. 186–196, Feb. 2002.

2.V. Blasko, “Analysis of a hybrid PWM based on modified space-vector and triangle-comparison methods,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 33, no. 3, pp. 756–764, May/Jun. 1997.

3.Chung, Dae-Woong, Joohn-Sheok Kim, and Seung-Ki Sul. "Unified voltage modulation technique for real-time three-phase power conversion." IEEE Transactions on Industry applications 34.2 (1998): 374-380.

但我个人感觉,还是Sang-Hoon Kim大神《Electric Motor Control》书中第七章解释说的更简单。这里注意一点,Sang-Hoon Kim大神书中给的Ts其实是半个开关周期而不是一个完整的开关周期(他在书中是认为,开关器件开一次或者关一次就算一个开关周期;而我们现在都是认为开关器件开一次且关一次,才算一个开关周期)。

他这里的说法是,由于传统的七段式SVPWM在半周期内是完全对称的,即半周期的两端都是零矢量,中间是有效矢量,因此三相参考电压的最大值和最小值的幅值是完全相等的。(可以根据图示来理解,Fig.7.59的纵坐标代表逆变器的极电压Pole Voltage,幅值是±0.5*Vdc)

这样生成的PWM,非常简单,远比SVPWM简单。

3.基于偏置电压注入的载波PWM策略的仿真验证

 

 

为了验证基于偏置电压注入的载波PWM策略与传统SVPWM的等效性,这里将这两种调制策略进行对比。

仿真参数:

Ts = 5e-7;%仿真步长

Tpwm = 1e-4;%开关周期

Tsample = Tpwm/1;%采样周期/控制周期

Tspeed = Tsample;%转速采样周期

Pn = 4;%电机极对数

Ls = 8.5e-3;%定子电感,采用隐极的,Ld=Lq=Ls

Rs = 1;%定子电阻

flux = 0.1688;%永磁体磁链

Vdc=400;%直流母线电压

iqmax=20;%额定电流

Tdead = 2e-6;%死区时间

J = 2e-3;%转动惯量

B = 2e-3;%阻尼系数

n_init = 1000;%初始转速

fc_lpf = 500;%转速计算的低通滤波器截止频率

%转速环PI参数

Kpw=0.25;

Kiw=50;

%电流环PI参数

Ld1 = Ls;

Lq1 = Ls;

flux1 = flux;

Rs1 = Rs;

fc = 500;%电流环带宽

Enable = 1;%1代表开启1.5拍延时补偿

仿真工况:0.18s前给定转速2000RPM,0.18s后给定转速1000RPM;0.06s突加5Nm负载,0.12s突加5Nm负载。

基于偏置电压注入的载波PWM策略的三相电流、转矩、转速波形
传统SVPWM策略的三相电流、转矩、转速波形
基于偏置电压注入的载波PWM策略的三相开关器件占空比
传统SVPWM策略的三相开关器件占空比
基于偏置电压注入的载波PWM策略的三相开关器件占空比(放大图)
SVPWM策略的三相开关器件占空比(放大图)
偏置电压注入的载波PWM相电流FFT

 

 

SVPWM相电流FFT

可以看到,两种PWM策略的主要波形基本完全一致,包括各相桥臂占空比也基本都一致。相电流THD分别为1.83%和1.82%。

充分验证了基于偏置电压注入的载波PWM策略的有效性。


https://m.tb.cn/h.gSHgSvO?tk=FdN03bOM7Y5icon-default.png?t=N7T8https://m.tb.cn/h.gSHgSvO?tk=FdN03bOM7Y5

 

仿真模型已上传某鱼,基于偏置电压注入的载波PWM模块均采用Matlab代码编写,方便移植至DSP中。

仿真模型都以及离散化,仿真结果与实验结果基本一致。同时,仿真还在《电机控制杂谈(5)后续篇》模型的基础上加入了死区模块。

 

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