一种考虑死区与最小脉宽限制的IPWM算法.pdf

2 0 1 4 年1 2 月电工技术学报V 0 1 2 9N o 1 2第2 9 卷第1 2 期T R A N S A C T I O N SO FC H I N AE L E C T R O T E C H N I C A LS O C I E T YD e c 2 0 1 4一种考虑死区与最小脉宽限制的I P W M 算法黄招彬游林儒汪兆栋灭小琴(华南理工大学自动化科学与工程学院广州5 1 0 6 4 1)摘要由于存在死区时间和最小脉宽限制，造成两电平三相电压源型逆变器的实际电压空间缩小，因此，传统的七段式S V P W M 及其过调制算法不再完全适用。为此，本文提出了一种新颖的考虑死区与最小脉宽限制的综合式脉宽调制(I P W M)算法。首先，该算法将经典的七段式S V P W M 与五段式D P W M l、三段式P W M、一段式P W M 综合起来，并重新划分了线性调制区和过调制区，有效扩展了实际的电压空间。其次，该算法对过调制算法进行优化，减小了运算量并降低了输出谐波；同时，通过对参考电压进行线性修正，有效地提高了输出电压基波幅值的线性度。针对调制电平与恒定电平之间的切换问题，也给出了基于有限状态机的新死区插入方法。最后，在感应电机的实验结果验证了该算法的可行性与优越性。关键词：电压源型逆变器综合式脉宽调制死区时间最小脉宽限制过调制有限状态机中图分类号：T M 4 6 4AN o v e lI n t e g r a t e dP W MS t r a t e g yC o n s i d e r i n gD e a d T i m ea n dM i n i m u mP u l s e W i d t hL i m i t a t i o nH u a n gZ h a o b i nY o uL i n r uW a n gZ h a o d o n gW e nX i a o q i n(S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yG u a n g z h o u510 6 41C h i n a)A b s t r a c tI nt w o l e v e lt h r e e p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r，b o t hd e a d t i m ea n dm i n i m u mp u l s e w i d t hl i m i t a t i o n(M P W L)n a r r o wd o w nt h ep r a c t i c a lv o l t a g es p a c e，w h i c hr e s u l t si nt h ei n v a l i d a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a ls p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n(P W M)a n dr e l a t e do v e r m o d u l a t i o nm e t h o d s An o v e li n t e g r a t e dP W M(I P W M)s t r a t e g yi sp r o p o s e dw i t hd e a d t i m ea n dM P W Lc o n s i d e r e d F i r s t，t h es t r a t e g yc o m b i n e st h ec l a s s i c a ls e v e n s e g m e n tS V P W Mw i t hf i v e s e g m e n tD P W M1，t h r e e-s e g m e n tP W Ma n do n e-s e g m e n tP W M，r e d e f i n e st h el i n e a r-m o d u l a t i o nr e g i o na n dt h eo v e r m o d u l a t i o nr e g i o na n di n c r e a s e st h ep r a c t i c a lv o l t a g es p a c e S e c o n d，t h es t r a t e g yd e c r e a s e st h ec a l c u l a t i o nt i m ea n dr e d u c e st o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n(T H D)w i t ht h eo p t i m u mo v e r m o d u l a t i o nm e t h o d，w h i l ei ti m p r o v e st h eo u t p u tv o l t a g el i n e a r i t yb yt h er e f e r e n c ev o l t a g el i n e a r i z a t i o n A d d i t i o n a l l y,t h es t r a t e g yp r e s e n t st h ei n s e r t i n gm e t h o do ft h en e wd e a d t i m eb a s e do nf i n i t es t a t em a c h i n e F i n a l l y，c o n f i r m a t o r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t so ni n d u c t i o nm o t o rv a l i dt h eI P W Ms t r a t e g ya n di l l u s t r a t e si t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e K e y w o r d s：V o l t a g es o u r c ei n v e r t e r,i n t e g r a t e dp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n(I P W M)，d e a d-t i m e，m i n i m u mp u l s e-w i d t hl i m i t a t i o n，o v e r m o d u l a t i o n，f i n i t es t a t em a c h i n e引言由于三相电压源P W M 逆变器能够提供电压和频率可调的功率输出，因此，在D C A C 功率变换中收稿日期2 0 1 3 1 2 2 2 改稿日期2 0 1 4 0 6 1 2得到了广泛的应用。而矢量脉冲宽度调制(S p a c eV e c t o rP u l s eW i d t hM o d u l a t i o n，S V P W M)因具有电压利用率高、低电压谐波和易数字实现等优点，其在电机矢量控制中得到了越来越多的应用。在两电平三相逆变系统中，基本电压矢量构成的正六边形区域为S V P w M 的电压空间，该六边形万方数据1 2电工技术学报2 0 1 4 年1 2 月内切圆内的区域为线性调制区，而内切圆外的区域则为过调制区。文献 1，2 提出了基于伏秒平衡的双模式过调制方法，但其运算量过大；文献 3 研究了运算更为简化的双模式过调制方法，但其输出电压线性度略有降低；为此，文献 4 6 研究了输出电压线性化、最小相角误差和最小幅值误差的单模式过调制方法，文献 7 研究了小运算量的基于调制函数的全范围调制方法，文献 8 将运算简便的调制方法应用在永磁同步电机控制中扩展了弱磁运行域。文献 9 对比了双模式与单模式的过调制方法的电压增益、谐波畸变与实现方法。文献 1 0，1 1 通过研究S V P W M 与各种数字脉宽调制(D i g i t a lP u l s eW i d t hM o d u l a t o r，D P W M)在过调制区的谐波、开关损耗与电压增益，提出了一种高性能的G D P W M 方法。上述调制算法研究的重点在于输出基波电压的线性度、输出电压的谐波与开关损耗、算法的运算复杂度等因素，均未考虑死区时间与最小脉宽限制对调制算法的影响。文献1 2 考虑了死区与最小脉宽限制对S V P W M与D P W M l 1 0-1 2 输出电压增益与谐波的影响；文献 1 3 研究了各种P W M 算法在脉宽限制之后的实际电压空问；文献E 1 4，1 5 1 研究了减小脉宽限制的方法，但是上述方法对过调制区的处理不佳，直接导致输出基波电压线性度的降低，也未考虑死区时间插入的影响。本文通过研究死区时间与最小脉宽限制的影响，提出了一种新颖的综合式脉冲宽度调制(I n t e g r a t e dP W M，I P W M)算法。该算法将七段式S V P W M、五段式D P W M l、三段式P W M 和一段式P W M 相结合，重新划分了线性调制区和过调制区，有效地扩展了线性调制区，优化了过调制区算法，同时给出了基于有限状态机的新死区时问插入方法。最后，研究了输出电压基波幅值线性度与总谐波畸变，并在两电平三相变频器拖动感应电机系统上进行了实验，实验结果验证了该算法的可行性与优越性。2死区与最小脉宽限制分析2 1理想的S V P W M 算法在两电平三相逆变系统中，逆变器共有8 个基本输出矢量，其中6 个有效的基本电压矢量l，2 v 6和2 个零矢量，。，。，由基本电压矢量构成的正六边形区域为输出电压的电压空间。定义“，为参考电压的幅值U 对正六边形内切圆半径(即最大相电压。3)的标幺值，那么，U r=3 U，最大输出电压(基本电压矢量，幅值为2 圪，3)的标幺值为U r=2 4 3z1 1 5 5，而六阶梯波基波幅值(幅值为2 K，兀)的标幺值为2 f f 3 n“1 1 0 3。如图1 a 所示，当“，1 时，电压矢量鳓轨迹都在正六边形内(不超出内切圆)，可以正常输出圆形磁链，即为线性调制区；当1 “，2,3 时，电压矢量比，有部分轨迹超出正六边形范围(超出内切圆)，不能正常输出圆形磁链，为过调制区。卢如(0 10 1”2(1 1 0)q 然_ 溅蘑、：_：r。翟“粼誉磁争。x 蚴如F 5(0 0”K(10 1)、jj，7；j f“2：r-2r 2 2r 7。r d 2。1 5 1 2：r n 21、，71_，7、r、，、，1_J71，7。V z：蜥V +1V zV 1叱：化。t(b)图1S V P W M 电压空f 日J 与七段式对称P W M 实现F i g 1T h ev o l t a g es p a c eo fS V P W Ma n di m p l e m e n to fs e v e n s e g m e n ts y m m e t r i cP W M若以基本矢量为边界将矢量空间分为A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 六个区域，如图1 a 所示，每个区域中电压矢量即，可以通过前向相邻基本电压矢量如、后向相邻基本电压矢量l 抖。和零矢量，：(1，。或者l，)合成，即式中，疋、丁，、乃和死分别为P W M 周期、前向相邻基本矢量时间、后向相邻基本矢量时间和零矢量乏卜=慨=r，、L万方数据第2 9 卷第1 2 期黄招彬等一种考虑死区与最小脉宽限制的I P W M 算法1 3时间，t l=五I，t 2=T 2 l，t o=r o r s。为了获得较好的低速性能，在实际应用中通常采用七段式的对称互补P W M 调制方式，如图1 b 所示，其中r o=2 7=t o 2，