一种脉冲注入的多模式调制切换方法及装置与流程

1.本发明涉及电机控制领域，特别是指一种多模式脉宽调制的切换方法。


背景技术：

2.在轨道交通中，由于牵引系统电压高、电流大、速度范围宽、散热能力有限，系统的变流器多工作于低载波比工况，通常开关频率只有几百赫兹，需要采用多种调制模式相结合的多模式调制方式来优化全速范围内的电流波形。
3.通常采用的多模式调制策略为：在低频段采用异步调制，充分利用开关频率的优势；中频段采用同步调制、shepwm或者chmpwm，优化电流和转矩谐波；高频段则采用方波，使电机能够运行到更高的转速。
4.采用多模式调制，不同的调制模式所包含的谐波含量不同，在调制模式切换过程中谐波含量的突然变化，会出现电流冲击和转矩波动，过大的冲击会造成系统振荡甚至触发安全保护，需要施加切换策略来保证切换过程平滑过渡。
5.现有应用最广泛的切换方法有三相独立切换和三相同步切换，这两种切换方法均需要等待最优切换点的到来，同时切换过程中存在磁链偏差，需要至少两个基波周期才能在电机电感滤波下完全消除。而最优切换点的选择需要分析电流谐波，计算复杂，动态性能表现不足。
6.因此有必要设计一种通用性较强，不需要等待最优切换点，且能够直接消除切换过程中导致的定子磁链偏差，使得不同调制模式之间快速且平滑过渡的切换方式。


技术实现要素：

7.为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种脉冲注入的多模式调制切换方法，不需要等待最优切换点，能够在任意时刻进行切换，并完全消除切换过程中的定子磁链偏差。
8.一种脉冲注入的多模式调制切换方法，包括以下步骤：步骤1、对调制模式切换前后进行采样，获取调制模式切换前后的开关角或者开关序列；步骤2、根据获取的开关角或开关序列重构电机定子磁链轨迹，获得切换前后两个采样点之间的定子磁链矢量偏差；步骤3、获取能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量和零矢量，根据有效电压矢量和零矢量获得三相pwm的占空比；步骤4、根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化pwm脉冲序列，实现定子磁链轨迹的无差跟踪。
9.在一个优选的实施方式中，步骤2包括以下子步骤：子步骤21、根据获取的开关角或开关序列、采样点及采样时间，重构电机的三相定子电压；
子步骤22、对重构的定子电压积分，获得定子磁链轨迹；子步骤23、根据定子磁链轨迹，可获得调制模式切换前后两个采样点之间的定子磁链轨迹偏差。
10.在一个优选的实施方式中，在子步骤21中，优选地，通过下式重构电机的三相定子电压：
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（一）其中，为采集到的开关序列，为采样时间，为三相桥臂，为重构的三相定子电压，为直流母线电压。
11.在一个优选的实施方式中，在子步骤22中，所述定子磁链轨迹为定子磁链矢量随时间的变化量，通过下式获得定子磁链轨迹：
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（二）
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（三）其中，表示电机定子基波角频率，为定子电压矢量幅值，为采样时间，为时间的定子电压矢量，为时间的定子磁链矢量，为定子磁链矢量在时刻的初值，为虚数单位。
12.在一个优选的实施方式中，在子步骤23中，调制模式切换前后两个采样点之间的定子磁链轨迹偏差通过下式获得：
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（四）其中，为切换前最后一次采样时间，为时刻的定子磁链矢量偏差，为切换前的实际定子磁链矢量，为切换后期望的定子磁链矢量。
13.在一个优选的实施方式中，对子步骤22中获得的定子磁链矢量进行校正，校正值的大小为稳态优化磁链轨迹在一个基波周期内的均值，表示为：
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（五）其中，为定子磁链直流偏置的矫正量，为定子磁链轨迹。
14.在一个优选的实施方式中，在步骤3中，所述能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量和零矢量根据就近三矢量合成原则合成获得；所述就近三矢量合成原则为：原则1：选择与定子磁链矢量偏差相邻的两个有效电压矢量和零矢量，合成能够补偿磁链矢量偏差的电压矢量。
15.原则2：切换过程中的定子磁链轨迹会有多种分布，合成获得的有效电压矢量和零矢量表示的定子磁链轨迹最短。
16.原则3：合成获得的有效电压矢量和零矢量表示的定子磁链过渡过程中，在同一时刻只允许一桥臂的开关管动作。
17.在一个优选的实施方式中，所述三相pwm的占空比，根据基本矢量和基本矢量的作用时间得到，具体为：当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：
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（六）当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：
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（七）当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：其中，表示母线电压，分别表示逆变器a、b、c三相注入脉冲的占空比，表示定子磁链矢量偏差在两相静止坐标系下轴分量，为切换后的采样周期。
18.在一个优选的实施方式中，在步骤4中，根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化pwm脉冲序列，控制电机定子磁链按照期望的轨迹运行，实现定子磁链的无差跟踪。
19.本发明还提供了一种电机控制装置，具有控制器和驱动模块，所述控制器能够将模拟信号转换为数字信号，并按照所述的脉冲注入的多模式调制切换方法之一获得优化pwm脉冲序列；所述驱动模块对控制器输出的优化pwm脉冲序列进行功率放大，放大后的pwm脉冲输送给开关管，驱动电机运行。
20.本发明所具有的有益效果包括：（1）本发明提供的脉冲注入多模式调制切换方法，不依赖具体的电机参数，不需要进行谐波计算和切换点的择优选择，能够在任意时刻实现调制模式的切换，可应用于所有的优化调制模式，切换方法简单；（2）本发明提供的脉冲注入多模式调制切换方法，对牵引电机的定子磁链进行重构，即可获得电机的稳态定子磁链轨迹，对切换前后的定子磁链进行对比分析，即可得到切换过程中的定子磁链矢量偏差，为观测和消除切换过程中的定子磁链矢量偏差提供了便利性，也提高了定子磁链矢量计算的准确性；（3）本发明提供的脉冲注入多模式调制切换方法，使用空间矢量合成的方式，重新规划切换过程中的定子磁链轨迹，合成的空间矢量能够在一个周期内，实现定子磁链的无差跟踪，解决了基于最优切换点选择策略的响应速度慢的问题，提高了切换过程的快速性和准确性，同时，基于定子磁链连续的脉冲注入多模式调制切换方法具有更小的电流冲击和转矩波动，实现了不同调制模式之间快速准确过渡；（4）本发明提供的脉冲注入多模式调制切换方法，解决了三相同步切换必须等待最优切换点的局限性，能够在任意调制模式和任意时刻实现调制模式的切换，同时电机运行过程中产生的定子磁链矢量偏差也可通过此方法消除；（5）本发明提供的脉冲注入多模式调制切换方法，对于由chmpwm的开关角不连续引起的电流冲击和转矩波动，通过在开关不连续处注入脉冲，也能够消除开关角不连续引起的定子磁链偏差，实现定子磁链轨迹的完全跟踪，在开关角不连续的区域，使用本发明所述的方法，能够实现定子磁链轨迹的连续过渡，使chmpwm不连续的开关角也能够在实际中应用。
附图说明
21.图1为本发明一种优选实施方式的脉冲注入多模式调制的切换方法示意图；图2为本发明实施例1中定子磁链偏差矢量合成示意图；图3为本发明实施例1中脉冲注入过程示意图；图4为本发明实施例1和对比例1中未施加切换策略时7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm磁链轨迹示意图；图5为本发明实施例1和对比例1中施加脉冲注入切换策略时7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm磁链轨迹示意图；图6为本发明对比例1中未施加切换策略7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm电机线电压、定子电流及输出转矩的仿真波形图；图7为本发明实施例1中施加脉冲注入切换策略时7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm电机线电压、定子电流及输出转矩的仿真波形图；
图8为本发明对比例1中未施加切换策略时7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm电机线电压、定子电流及输出转矩的实验波形；图9为本发明实施例1中施加脉冲注入切换策略时7脉冲shepwm切换5脉冲shepwm电机线电压、定子电流及输出转矩的实验波形。
22.具体实施方式
23.下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
24.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
25.本发明提供了一种脉冲注入的多模式调制切换方法，包括以下步骤，如图1所示：步骤1、对调制模式切换前后进行采样，获取调制模式切换前后的开关角或者开关序列；步骤2、根据获取的开关角或开关序列重构电机定子磁链轨迹，获得切换前后两个采样点之间的定子磁链矢量偏差；步骤3、获取能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量和零矢量，根据有效电压矢量和零矢量获得三相pwm的占空比；步骤4、根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化pwm脉冲序列，实现定子磁链的无差跟踪。
26.在步骤1中，对调制模式切换前后进行采样，在本发明中，采样点的位置是指电机的电角度，采样时间可以由电机的角速度ω和采样点个数计算获得，开关角具体的计算方法可采用任意已知的方法，本发明不再赘述。
27.进一步地，本领域技术人员可根据现有技术获得调制模式切换前后的开关角或开关序列，例如当切换前或切换后的调制模式为异步调制或同步svpwm调制模式时，所述开关序列可在线获取，由调制度大小和电压空间矢量角确定，计算基本矢量的作用时间，由参考矢量合成顺序确定开关序列；再例如，当切换前或切换后的调制模式为shepwm调制模式时，通过离线计算shwpwm非线性方程组，不同分频数对应不同的非线性方程组，计算得到不同分频数下的开关角和调制度曲线，进而获得开关角。
28.所述shwpwm非线性方程组表示为：
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（九）其中，为调制度，为开关角，为开关角个数，为过程参数。
29.在一个优选的实施方式中，通过查表获取当前调制模式的开关序列和切换后的目
标调制模式的开关序列。
30.步骤2包括以下子步骤：子步骤21、根据获取的开关角或开关序列、采样点及采样时间，重构电机的三相定子电压；子步骤22、对重构的定子电压积分，获得定子磁链轨迹；子步骤23、根据定子磁链轨迹，可获得调制模式切换前后两个采样点之间的定子磁链轨迹偏差。
31.在子步骤21中，优选地，通过下式重构电机的三相定子电压：
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（十）其中，为采集到的开关序列，为采样时间，为三相桥臂，为重构的三相定子电压，为直流母线电压。 在子步骤22中，所述定子磁链轨迹为定子磁链矢量随时间的变化量，通过下式获得定子磁链轨迹：
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（十一）
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（十二）其中，表示电机定子基波频率，为定子电压矢量幅值，为采样时间，为时间的定子电压矢量，为时间的定子磁链矢量，为定子磁链矢量在时刻的初值，为虚数单位。
32.根据本发明，重构得到的磁链轨迹唯一，重构得到的定子磁链轨迹包含基波磁链和谐波磁链。
33.发明人发现，上述重构的定子磁链矢量含有直流偏置影响，造成结果精度下降，在一个优选的实施方式中，还对上述方法获得的定子磁链矢量进行校正，校正值的大小为稳态优化磁链轨迹在一个基波周期内的均值，其表达式为：
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（十三）其中，为定子磁链直流偏置的矫正量，为定子磁链轨迹。
34.矫正后的定子磁链矢量表示为：
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（十四）在子步骤23中，调制模式切换前后两个采样点之间的定子磁链轨迹偏差通过下式获得：
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（十五）
其中，为切换前最后一次采样时间，为时刻的定子磁链矢量偏差，为切换前的实际定子磁链矢量，为切换后期望的定子磁链矢量。
35.在本发明中，将上述磁链轨迹偏差作为切换补偿时的参考值，为观测和消除切换过程中的定子磁链矢量偏差提供了便利性，也提高了定子磁链矢量计算的准确性，不需要进行谐波计算和切换点的择优选择。
36.根据本发明，重构定子磁链的过程中包含大量积分，在处理器运算性能不佳的情况下，优选地，可以将定子磁链偏差以表格的形式存储，在切换时根据调制度以及基波相位实时调用。
37.发明人发现，当调制模式直接发生切换时，新的磁链轨迹必然偏离期望的目标磁链轨迹，在本发明中，通过求取切换前后的定子磁链矢量偏差，并重新规划定子磁链的轨迹，使磁链按照期望的轨迹运行。
38.传统的定子磁链观测是通过观测器输出的，并将观测的磁链与期望的定子磁链相减获得定子磁链偏差，观测器输出的磁链不包含谐波磁链，而上述方式重构得到的定子磁链更加能反映出电机的实际定子磁链，用该磁链进行定子磁链矢量偏差的计算，会更加精确，同时考虑谐波磁链的调制模式切换会使切换过程更加平稳。
39.在步骤3中，所述能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量和零矢量根据就近三矢量合成原则合成获得。
40.通过对获得的定子磁链偏差选择合适的电压矢量和零矢量进行合成，能够使切换前后的定子磁链不会出现误差。
41.具体地，所述就近三矢量合成原则为：原则1：选择与定子磁链矢量偏差相邻的两个有效电压矢量和零矢量合成能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量，如图2所示。
42.原则2：切换过程中的定子磁链轨迹会有多种分布，合成获得的有效电压矢量和零矢量表示的定子磁链轨迹最短。
43.原则3：合成获得的有效电压矢量和零矢量表示的定子磁链过渡过程中，在同一时刻只允许一桥臂的开关管动作。
44.进一步地，根据有效电压矢量和零矢量的作用时间获得三相pwm的占空比，所述有效电压矢量包括有效矢量。
45.根据本发明，根据下式获得有效电压矢量和零矢量的作用时间：
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（十六）其中，为参考电压矢量，为采样周期，为基本矢量的作用时间，为零矢量的作用时间。
46.所述三相pwm的占空比，根据基本矢量和基本矢量的作用时间得到，具体为：当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：
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（十七）当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：
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（十八）当定子磁链偏差角度为时，所述三相pwm的占空比为：
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（十九）其中，表示母线电压，分别表示逆变器a、b、c三相注入脉冲的占空比，表示定子磁链矢量偏差在两相静止坐标系下轴分量，为切换后的采样周期。
47.在步骤4中，根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化pwm脉冲序列，控制电机定子磁链按照期望的轨迹运行，实现定子磁链的无差跟踪。
48.不同调制模式之间发生切换时，期望的定子磁链会产生偏差，而实际的定子磁链轨迹中心会发生偏移，造成过大的电流冲击和转矩波动，在本发明中，根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化后的pwm脉冲，控制电机定子磁链按照期望的轨迹运行，使切换过程中的定子磁链保持连续，完全补偿切换过程中的定子磁链偏差，从而实现定子磁链的无差跟踪。
49.根据三相pwm占空比生成pwm脉冲序列的具体方式为本领域常规技术手段，在本发明中不做赘述。
50.进一步地，实际控制系统当中，由于数字系统存在一拍延时的影响，如图3所示，即时刻计算得到脉冲不能够立即作用到逆变器上，需要等待一个采样周期，在时刻才
能驱动逆变器进行工作。实际应用考虑一拍延时的影响，需要在时刻依据调制度和角速度获取时刻的实际开关角序列和时刻期望调制模式的开关角序列，获取切换前后的采样点以及采样周期，在时刻计算时刻需要注入的脉冲序列，并在时刻将占空比写给pwm比较寄存器，最后经过动作模块产生pwm。通过这样的方法提前计算需要切换时刻的pwm脉冲序列，就能够消除一拍延时带来的影响，实现更加精确和平稳的定子磁链过渡。
51.本发明还提供了一种采用所述脉冲注入多模式调制切换方法的电机控制装置，具有控制器。
52.所述控制器优选为dsp控制器，能够将模拟信号转换为数字信号，并按照上述方法进行数字运算，获得优化pwm脉冲序列。
53.所述电机控制装置还包括：主电路，包括依次连接的直流电压源、牵引逆变器、牵引电机，用于驱动电机；采样模块，从直流电压源输出端及电机三相输入端进行采样，用于获取直流母线电压和电机的三相电流；优选地，所述采样模块通过电压霍尔传感器和电流霍尔传感器将采样的电压和电流信号调理后生成模拟信号传输至控制器；驱动模块，对控制器输出的优化pwm脉冲序列进行功率放大，放大后的pwm脉冲输送给开关管，控制逆变器，再驱动电机运行。
54.所述电机控制装置还包括故障保护模块，当主回路发生过流、过压、欠压或igbt故障时，及时封锁pwm波输出，并将故障信号传递给控制器和上位机，提示故障类型。
55.实施例
56.实施例17分频shepwm与5分频shepwm进行切换，7分频shepwm与5分频shepwm磁链误差示意图如图4所示，图中点划线部分为7分频稳态定子磁链，虚线部分为5分频定子磁链，其中o点为7分频和5分频的定子磁链轨迹中心。从图4中能够明显看到两个稳态定子磁链轨迹之间存在明显的误差，当调制模式直接发生切换时，新的磁链轨迹必然偏离期望的目标磁链轨迹。
57.采用脉冲注入调制切换方法进行切换，采用以下步骤进行：步骤1、对调制模式切换前后进行采样，获取调制模式切换前后的开关角或者开关序列；步骤2、根据获取的开关角或开关序列重构电机定子磁链轨迹，获得切换前后两个采样点之间的定子磁链矢量偏差；步骤3、获取能够补偿磁链矢量偏差的有效电压矢量和零矢量，根据有效电压矢量和零矢量获得三相pwm的占空比；步骤4、根据获得的三相pwm占空比生成优化pwm脉冲序列，在切换过程中注入优化pwm脉冲序列，实现定子磁链的无差跟踪。
58.如图5所示，在a点进行调制模式的切换，切换前后两点之间的轴磁链偏差为-0.1410，轴磁链偏差为-0.0128。
59.如图3所示，磁链矢量偏差位于第四扇区，选择电压空间矢量011和001进行矢量合成。
60.根据基本矢量和基本矢量的作用时间，一个周期设置36个采样点，当直流母线电压为540，电机运行在45时，磁链矢量偏差位于，得到三相pwm的占空比, , 。
61.依据得到的三相pwm占空比，使用新的占空比生成pwm脉冲，在切换时刻消除原有的脉冲序列，注入新的pwm脉冲，从而控制逆变器，进而驱动电机。
62.从图3中可以看出，在施加脉冲改变定子磁链轨迹之后，切换完成后实际磁链轨迹与目标优化轨迹之间基本不存在偏差，磁链轨迹中心无偏移。
63.施加脉冲注入切换策略之后，仿真效果如图7所示，实际效果如图9所示，电机电流和转矩都能够平滑过渡，不会出现较大的电流和转矩冲击。
64.对比例1在7分频shepwm切换至5分频shepwm过程中，同样在电机运行至45时切换。未施加任何补偿时，其切换后的一个基波周期的磁链如图4所示，其中点划线为切换前7脉冲shepwm磁链轨迹，虚线为期望的目标优化磁链轨迹，实线为电机的实际运行磁链轨迹。从图中可以看出，切换过程出现了明显的磁链偏差，切换后的磁链轨迹中心偏离了原有的定子磁链轨迹中心。
65.图6为未施加任何补偿时的电机线电压、相电流和转矩波形。切换后的磁链轨迹偏移造成了电机的电流出现了明显的冲击，转矩也出现很大的波动。
66.而实际过程如图8所示，由于磁链偏移造成的电流冲击过大，触发了牵引系统的安全保护，电机的正常运行受到了严重影响。
67.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
68.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
69.以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。