电机大范围调速的综合电压调制策略

顾欣，李珂，张承慧，刘旭东（山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061）



电机大范围调速的综合电压调制策略

顾欣，李珂，张承慧，刘旭东
（山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061）

摘要：针对电动汽车要求驱动电机具有大范围调速要求和目前任何单种基本调制方式都无法做到全调制比范围内性能最优的问题，提出了一种综合的调制策略：在低调制比阶段使用传统的SVPWM策略，在高调制比阶段使用DPWM策略，并提出一种基于零矢量分配的过渡策略，使得两种调制方式可以平滑的过渡。这种方法使得电压波形质量，开关损耗以及电压线性范围得到优化。最后，搭建了基于Simulink的仿真模型，结果表明提出的方法可提高大范围调速电机的运行效率，为系统的高效运行提供了有效途径。

关键词：不连续PWM；脉宽调制；开关损耗；谐波

电动汽车等系统要求电机具有较宽的调速范围以满足高速行驶的要求，因此对宽调制比范围的电压调制策略研究至关重要。在传统的电压调制策略中，SPWM电压调制策略具有良好的线性性能，但直流电压利用率过低；SVPWM电压调制策略虽然可以达到很好的综合性能，但无法达到整个调制比范围内的最优。此外，在有额外要求（如降低开关损耗；降低直流母线电压波动）的应用场合下，需要使用新的电压调制方法。

为了改进已有的调制方式，零序电压注入法在电压调制中得到广泛应用，以此为基础，文献［1-3］提出的3次谐波注入法在星形连接的三相系统中得到广泛的应用。此时输出相电压中也含3次谐波，但三相的3次谐波相位相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。这类方法相对于SVPWM，在一定调制比区间内具有波形优势。

同样基于零序电压注入法，一系列不连续PWM（DPWM）方法被提出。这类方法在保持SVPWM高直流电压利用率的同时，被注入的零序分量使调制波在三分之一基波周期内达到饱和，从而使得三相逆变器每个桥臂在每个基波周期内有三分之一的时间不发生调制，有效地减小了开关损耗。与此同时，DPWM保留了SVPWM的高调制比范围的特点，使其获得广泛应用。基础的DPWM方法按照120°不调制区域的构成，主要有6种：

1）DPWMMIN和DPWMMAX：这2种DPWM方法有1个120°不调制区域［4］。

2）DPWM0，DPWM1［5］和DPWM2［6］：这3种DPWM方法有2个60°不调制区域

3）DPWM3：这一种DPWM方法有4个30°不调制区域［7］。

为了使得不调制的120°区间的位置得到优化，一系列改进的DPWM方法被提出。文献［8］提出GDPWM方法，用相移角φ统一了DPWM0，DPWM1和DPWM2，此外不调制区域可以根据系统功率因数的不同而发生相移，可以有效减小开关损耗。该方法需要检测功率因数角，扇区的判断实时改变，很大的增加了电压调制算法的复杂度。文献［9］提出了简化的GDPWM算法，但对电机等功率因数变化不大的负载，该方法较传统方法，优化效果不明显。且只有在高调制比区域，这类DPWM方法相对于连续PWM，才具有波形质量上的优势。

鉴于电动汽车等要求驱动电机大范围调速，以及目前任何单种基本调制方式都在某一调制比区间内才具有波形质量的优势［10］，本文提出一种综合的调制策略，在低调制比阶段使用传统的SVPWM策略，在高调制比阶段，使用DPWM2策略，以减小开关损耗，并得到较高的波形质量。本文还提出一种基于零矢量分配的过渡策略，以平滑过渡两种调制方法。仿真以及相应的波形分析证明了该方法的有效性。

1　综合电压调制策略

1.1基于线电压的零序分量注入法

逆变器供电的负载通常为中性点（N点）隔离的三相对称负载，只要逆变器输出线电压uUV，uVW，uWU为正弦，则负载上的三相相电压也为正弦，并不要求uUN′，uVN′，uWN′为正弦。因此，三相调制波可以在三相对称正弦波的基础上叠加1个零序分量，即令

式中：up为任意函数。

上述控制方式是以输出线电压为控制目标，称为线电压控制方式。线电压控制方式中，直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压。采用不同的up，从而得到不同的调制波，即有多种PWM方法，性能也各不相同。

1.2DPWM2

DPWM2的120°不调制区域分别属于2个60°区域，分别滞后线电压2个峰值30°（功率因数为滞后的0.866）。因为电机属于感性负载，电流滞后电压一定相位，使用DPWM2，可以近似的使得开关不动作的时刻位于电流峰值（在仿真波形分析中，这点会得到详细说明），且相对于GDPWM，计算大大简化。

对于DPWM2，将调制波与载波归一化后，被注入的零序分量up在1个周期内的表达式为

零序分量与叠加零序分量后的调制波波形如图1所示。

图1　零序分量与叠加零序分量后的调制波Fig.1 Zero-sequence component and modulating waves superimposed with zero sequence component

可以看出，每个周期中，线电压峰值后的2个60°区域，逆变器桥臂分别钳位在上下桥臂，有效地减小了开关损耗。

在波形质量上，在开关次数相同的情况下比较，如图2所示。低调制比区域连续PWM波形质量更好，而在高调制比区域，不连续PWM波形质量更好。由图2可知，DPWM2在高调制比区域，波形质量明显好于传统SVPWM［8］。图2中，1 为SPWM；2为SVPWM；3为THIPWM1/6；4为THIPWM1/4；5为DPWM2，DPWMMAX，DPWMMIN，DPWM0；6为DPWM1；7为DPWM3。

图2　不同调制方法下线性调制区的谐波畸变因数Fig.2 HDF curves in the linear modulation range under different modulation methods

基于载波的PWM与空间矢量PWM具有统一性，图3为DPWM2的空间矢量表示。

图3　DPWM2的空间矢量表示Fig.3 Space vector explanation of DPWM2

1.3综合电压调制策略

鉴于电动汽车等要求驱动电机具有大范围调速要求，以及目前任何单种基本调制方式都在某一调制比区间内才具有波形质量的优势。该综合电压调制策略在低调制比区域仍使用u0矢量和u7矢量均匀分配的SVPWM，在高调制比区域使用DPWM2，以减小开关损耗并提高波形质量。

在调制方法的过渡上，Mi为调制比，k =（Mi-0.6）×5+0.5，零矢量作用时间为T0，矢量区域划分同SVPWM，按表1进行电压调制。

表1　综合电压调制策略Tab.1 Integrated voltage modulation strategy

以1区为例，图4显示了u0与u7随调制比的变化，则按照表1所示的调制方法，可以做到两种调制方法的线性过渡。

图4　1区中u0与u7随调制比变化Fig.4　The u0and u7curves vary with the modulation ratio in 1 sector

2　仿真分析

按照表1所示的综合电压调制策略搭建Matlab/Simulink电压调制模型驱动永磁同步电机，使电机运行在高速弱磁区域，和传统的SVPWM方法在高速区进行对比。

图5　综合电压调制方法下的转速、相电压与相电流Fig.5 Speed，phase-voltage and phase-current in integrated voltage modulation strategy

电机采用星型连接，从0 s开始启动，分别使用表1所示的综合电压调制策略和传统SVPWM策略。综合电压调制策略采用单极性等腰三角形载波，载波频率20 kHz，为使得两者开关次数相同，传统SVPWM采用载波频率为13.33 kHz。图5为综合电压调制策略下转速，0.5～0.53 s相电流与相电压（相对直流中性点）波形；图6为传统SVPWM下转速，0.5～0.53 s相电流与相电压（相对直流中性点）波形。可以看出，两者转速响应几乎一致（两者的直流电压利用率相同）但和传统SVPWM开关时刻均匀分布相比，综合电压调制策略下开关时刻集中在电流较小的时刻，在电流的峰值时刻，逆变器桥臂分别钳位于上下桥臂，有效地减小开关损耗［11］。

图6　SVPWM调制方法下的转速、相电压与相电流Fig.6 Speed，phase-voltage and phasecurrent in SVPWM method

表2为采用Powergui对两种方法在电机弱磁区运行时，电压和电流的谐波分析。可以看出采用本文提出的综合电压调制策略，相电压的总谐波畸变率（THD）为58.18%，电流的总谐波畸变率为1.93%，在高调制比的电机弱磁调速区，波形质量明显好于传统SVPWM。

表2　两种方法下的相电压与相电流总谐波畸变率Tab.2 Total harmonic distortion（THD）of phase-voltage and phase-current under two methods

3　结论

本文针对电机调速等大调制比范围运行的应用场合，以及目前任何单种基本调制方式都只在某一调制比区间内才具有波形质量的优势的情况。提出了一种综合电压调制策略，该方法采用线性过渡的办法，综合了SVPWM和DPWM2两种调制方法的优点，在高调制比区域有效地减小了开关损耗，提高了波形质量。通过建立Simulink仿真模型验证了该方法的有效性，为系统的高效运行提供了有效途径。

参考文献

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［11］文小玲，尹项根，张哲.三相逆变器统一空间矢量PWM实现方法［J］.电工技术学报，2009（10）：87-93.

修改稿日期：2015-12-11

Integrated Voltage Modulation Strategy for Motors to Operate in a Wider Speed Range

GU Xin，LI Ke，ZHANG Chenghui，LIU Xudong
（School of Control Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）

Abstract：Aimed at the problem that electric vehicles require driving motor to operate in a wide range of speed and no modulator has an overall superior performance，an integrated voltage modulation strategy was propsed，which utilized the conventional SVPWM method in the low modulation range and the DPWM method in the high modulation range. A switching strategy based on zero-vector for two kinds of modulation methods to switch smoothly was also proposed. As a result，the voltage waveform quality，switching losses，voltage linearity range were optimized. Finally，the simulation was set up to demonstrate the superiority of this method，providing an effective way for the efficient operation of the system.

Key words：discontinuous PWM；pulse width modulation；switching losses；harmonics

中图分类号：TM341

文献标识码：A

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB035600）；国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究项目（61320106011）；国家自然科学基金资助项目（51277116）

作者简介：顾欣（1989-），男，硕士研究生，Email：guxinshow@qq.com

收稿日期：2015-09-09