隨機(jī)空間矢量pwm策略轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交流變頻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能實(shí)現(xiàn)不同隨機(jī)空間矢量PWM策略 之間相互轉(zhuǎn)換的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 逆變器可以將直流電轉(zhuǎn)換為頻率與幅值可變的交流電，廣泛應(yīng)用于日常生活及工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。例如，在電動汽車中，將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，進(jìn)而驅(qū)動三相交流 電機(jī)。由于結(jié)構(gòu)簡單可靠，如圖1所示的兩電平三相電壓源逆變器應(yīng)用最為廣泛。但是，普 遍采用的空間矢量PWM(SVPWM)技術(shù)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(jī)發(fā)熱；低頻諧波還能夠引起轉(zhuǎn)矩脈動，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械振動，引起聲頻噪聲；陡 峭的脈沖還引發(fā)了嚴(yán)重的電磁干擾，影響其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行。提高開關(guān)頻率可以降 低諧波畸變，但逆變器中開關(guān)器件的工作頻率有物理上限制，而且提高開關(guān)頻率會增加開 關(guān)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(guān)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(yīng)。
[0003] SVPWM技術(shù)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(diào)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(jìn)行分配，也可以分為多個時間段進(jìn)行作用；非零基本電壓矢量作用時間也可 分為多段進(jìn)行，作用次序可以任意排列?？蒲泄ぷ髡呒肮こ碳夹g(shù)人員將這些因素隨機(jī)化，開 發(fā)出了大量的隨機(jī)化策略，如：（1)隨機(jī)開關(guān)頻率PWM(RSFPWM):只有開關(guān)頻率參與隨機(jī)化， 隨機(jī)化維數(shù)為1 ; (2)隨機(jī)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(jī)移動，隨機(jī)化維數(shù)為3; (3)隨機(jī)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(jī)分配，隨機(jī)化維數(shù)為1 ; (4)混 合隨機(jī)PWM(HRPWM):若干種單一隨機(jī)化策略的結(jié)合使用。
[0004] 由于兩電平三相逆變器及SVPWM的廣泛應(yīng)用，一些微控制器/數(shù)字信號處理器芯 片中已經(jīng)集成了生成確定性SVPWM控制信號脈沖的相關(guān)模塊，大大簡化了 SVPWM技術(shù)的應(yīng) 用，提高了系統(tǒng)的可靠性與運(yùn)行效率。
[0005] 隨機(jī)SVPWM技術(shù)可以極大地削弱確定性SVPWM技術(shù)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(jī)SVPWM策略實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度差別很大，有 的隨機(jī)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(yīng)用，有的則非常復(fù)雜。如RZDPWM策略實(shí)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(jī)數(shù)即可，并且不影響在開關(guān)周期中間進(jìn)行電流采 樣，對控制系統(tǒng)不產(chǎn)生其他影響；而RPPPWM策略實(shí)現(xiàn)起來就比較復(fù)雜，它要求微控制器/數(shù) 字信號處理器芯片能夠產(chǎn)生不對稱的PWM波形。
[0006] 某種程度上，不同的隨機(jī)SVPWM策略在削弱確定性SVPWM技術(shù)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(jī)化策略實(shí)現(xiàn)。而且，盡 管隨機(jī)PWM概念的提出已經(jīng)有20多年的歷史，一些隨機(jī)SVPWM策略已經(jīng)具有很強(qiáng)實(shí)用價 值；但是很多隨機(jī)SVPWM策略在實(shí)現(xiàn)方面方還存在著大量的技術(shù)問題需要解決。隨機(jī)化帶 來集簇諧波峰值削弱的良好效果的同時，也增加了應(yīng)用與新策略研宄開發(fā)的難度。如何將 那些復(fù)雜的隨機(jī)SVPWM策略等效轉(zhuǎn)換為容易實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)SVPWM策略、以及如何通過等效轉(zhuǎn) 換研宄開發(fā)新的隨機(jī)SVPWM策略，這些都是亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對隨機(jī)空間矢量PWM(SVPWM)技術(shù)的隨機(jī)化引起不同策略的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系復(fù) 雜、大量隨機(jī)化策略具體實(shí)現(xiàn)起來困難等問題，本發(fā)明的目的在于提供一種隨機(jī)空間矢量 PWM策略轉(zhuǎn)換方法，以解決上述問題。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下所描述： 一種隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法，在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換的過程中，將 隨機(jī)化維數(shù)為Ml的PWM策略STl向隨機(jī)化維數(shù)為M2的PWM策略ST2轉(zhuǎn)換時，包括以下步 驟： 51 :生成所述PWM策略STl的隨機(jī)數(shù)矩陣RS1，所述隨機(jī)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(jī)數(shù)矩陣RSl計(jì)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(jì)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(jī)數(shù)矩陣RS2的所有元素設(shè)為未知變量，所述隨機(jī)數(shù)矩陣 RS2的行數(shù)與列數(shù)分別為M2與N2, 一共對應(yīng)于M2 X N2個未知變量，計(jì)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(xué)表達(dá)式，所述 數(shù)字信號SIG2中包含了代表所述隨機(jī)數(shù)矩陣RS2的M2 XN2個未知變量； 54 :用離散傅里葉變換計(jì)算所述數(shù)字信號SIG2的頻譜特性FS2的數(shù)學(xué)表達(dá)式，所述頻 譜特性FS2包括幅頻特性AS2與相頻特性PS2 ; 55 :構(gòu)造所述PWM策略STl向所述PWM策略ST2轉(zhuǎn)換的目標(biāo)函數(shù)，用大規(guī)模優(yōu)化算法進(jìn) 行優(yōu)化，得到代表所述隨機(jī)數(shù)矩陣RS2的M2 XN2個未知變量的值。
[0009] 進(jìn)一步地，步驟S5中所述目標(biāo)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(jìn)一步地，當(dāng)優(yōu)化得不到設(shè)定精度的代表所述隨機(jī)數(shù)矩陣RS2的M2XN2個未知變 量的值時，構(gòu)造所述目標(biāo)函數(shù)時舍棄相頻特性之差的平方和，即所述目標(biāo)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(jìn)一步地，步驟Sl與S3中的信號采樣只在調(diào)制波的基波的整數(shù)倍周期內(nèi)進(jìn)行，采 樣時間記為T。
[0012] 進(jìn)一步地，在所述采樣時間T內(nèi)，開關(guān)周期的個數(shù)K為所述隨機(jī)數(shù)矩陣RSl的列數(shù) Nl的整數(shù)倍，開關(guān)周期的個數(shù)K為所述隨機(jī)數(shù)矩陣RS2的列數(shù)N2的整數(shù)倍。
[0013] 進(jìn)一步地，代表所述隨機(jī)數(shù)矩陣RS2的列數(shù)N2由優(yōu)化過程確定。
[0014] 進(jìn)一步地，構(gòu)造所述目標(biāo)函數(shù)時，設(shè)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(jì)算。
[0015]進(jìn)一步地，優(yōu)化過程為：取N2=nXNl，從n=l開始每次遞增1進(jìn)行大規(guī)模優(yōu)化，直 到得到設(shè)定精度的解或N2的值大于K為止。
[0016]更進(jìn)一步地，將調(diào)制比與調(diào)制波的基波頻率都離散化，離散的網(wǎng)格點(diǎn)上所述基波 頻率對應(yīng)的所述基波周期為所述開關(guān)周期的整數(shù)倍。
[0017] 再進(jìn)一步地，只優(yōu)化計(jì)算離散化網(wǎng)格上對應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在每個網(wǎng)格點(diǎn)上分別進(jìn) 行優(yōu)化計(jì)算，非網(wǎng)格點(diǎn)上的轉(zhuǎn)換關(guān)系用最臨近的網(wǎng)格點(diǎn)上的關(guān)系代替。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和有益效果： (1)本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法，在頻譜特性不變的情況下實(shí)現(xiàn)不 同隨機(jī)SVPWM策略之間的相互轉(zhuǎn)換。將具體實(shí)現(xiàn)起來困難的隨機(jī)SVPWM策略轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)起 來方便的策略，方便隨機(jī)SVPWM技術(shù)的應(yīng)用。
[0019] (2)本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法，通過離散傅里葉變換計(jì)算頻 譜特性，以頻譜特性一致建立目標(biāo)函數(shù)，并用大規(guī)模優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)不同隨機(jī)SVPWM策略之 間轉(zhuǎn)換的求解，充分利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及工程優(yōu)化軟件優(yōu)越的數(shù)值計(jì)算性能，規(guī)避了復(fù)雜 的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)與計(jì)算，方便了工程應(yīng)用。
[0020] (3)在本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法中，目標(biāo)函數(shù)采用平方和的 形式，保證了目標(biāo)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(zhuǎn)換的精度。
[0021] (4)本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法中，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)時舍棄相頻 特性，充分考慮了 SVPWM技術(shù)中諧波幅值帶來的不良效應(yīng)，剔除影響小的相位信息，降低了 優(yōu)化求解過程的復(fù)雜性，提高了優(yōu)化求解的效率。
[0022] (5)本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法，在調(diào)制波的基波的整數(shù)倍周 期內(nèi)進(jìn)行等效，使原本復(fù)雜問題得以簡化，符合工程技術(shù)的思維，方便實(shí)際應(yīng)用。
[0023] (6)本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法中，設(shè)置了矩形窗函數(shù)，充分考 慮了實(shí)際的工程應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)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(yīng)，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(biāo)函數(shù)中剔除，大大降低了優(yōu)化函數(shù)的復(fù)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(jī)連接方法示意圖； 圖2本發(fā)明提供的隨機(jī)空間矢量PWM策略轉(zhuǎn)換方法步驟圖； 圖3為本發(fā)明中基波周期、開關(guān)周期、采樣時間、隨機(jī)數(shù)矩陣間的關(guān)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