專利名稱：用于永磁電機驅(qū)動裝置的空間矢量pwm調(diào)制器的制作方法
交叉引用本申請基于2002年10月15日提交的序列號為60/418,733的美國臨時申請并要求其優(yōu)先權(quán)。上述美國臨時申請被并入本申請以作為參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種電機驅(qū)動裝置，尤其涉及一種用于采用空間矢量PWM調(diào)制方案的永磁表面安裝(PMSM)電機的驅(qū)動方法和系統(tǒng)。
2.相關(guān)技術(shù)的描述采用逆變器(inverter)的三相電機驅(qū)動裝置在工業(yè)中是公知的。DC總線通常將開關(guān)功率供應(yīng)到AC電機的不同相上。為了將開關(guān)命令和順序供應(yīng)到逆變器，無傳感(sensorless)矢量控制正在引起人們廣泛的注意。無傳感控制消除了速度傳感器、磁通傳感器和扭矩傳感器，并根據(jù)測量到的端電壓和電流利用基于DSP的估計(estimation)代替它們。因此，它降低了驅(qū)動裝置的成本并提高了其可靠性。
背景技術(shù)：
所關(guān)注的基于DSP的電機驅(qū)動裝置在本發(fā)明人于2003年4月25日提交的序列號為60/465,890的美國申請以及2002年11月12日提交的序列號為10/294,201的美國申請中進行了描述，并且它們被引入本文以作為參考。然而，估計算法是復(fù)雜的，尤其是在低頻率下。
因為空間矢量脈寬調(diào)制(SVM)具有優(yōu)良的諧波質(zhì)量和擴展的線性操作范圍，所以它已經(jīng)成為用于饋壓逆變驅(qū)動器的脈寬調(diào)制(PWM)的一種流行形式。
背景技術(shù)：
所關(guān)注的SVM裝置在2003年3月27日提交的序列號為10/402,107的申請中進行了描述，其被引入本文以作為參考。
然而，SVM的一個問題在于，它需要復(fù)雜的在線計算，從而通常將其操作限制于最多為幾千赫茲(例如，約為10kHz)的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率可通過利用高速DSP和包括查詢表(LUT)的簡化算法來擴展。功率半導(dǎo)體的開關(guān)速度(特別是在IGBT中的開關(guān)速度)已經(jīng)得到了顯著地提高。然而，LUT’s的使用(除非是非常大)趨向于降低脈寬分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可以避免傳統(tǒng)的空間矢量PWM調(diào)制方案中的例如反正切和平方根函數(shù)的精深計算和查詢表。它提出了一種算法結(jié)構(gòu)以用于實現(xiàn)多用途空間矢量PWM方案，該方案無需精深的數(shù)學(xué)函數(shù)或查詢表就能夠產(chǎn)生3相和2相SVPWM。該結(jié)構(gòu)支持過調(diào)制、對稱PWM和非對稱PWM模式。
本發(fā)明實現(xiàn)了一種多用途的2電平空間矢量PWM(SVPWM)調(diào)制裝置，其能夠在一個通用算法結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)3相和2相調(diào)制算法。該實現(xiàn)方案主要利用判定邏輯，并且無需任何精深的諸如反正切、正弦、余弦和/或平方根函數(shù)的數(shù)學(xué)函數(shù)。該算法提供了過調(diào)制、對稱的和非對稱的模式的能力。
本發(fā)明提供了一種空間矢量脈寬調(diào)制裝置和由所述調(diào)制裝置實現(xiàn)的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種空間矢量脈寬調(diào)制裝置(SVPWM)可包括預(yù)計算模塊，其接收Ua和Ub調(diào)制指數(shù)(modulation index)并響應(yīng)所述指數(shù)以輸出被修改的Ua和Ub信息。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種SVPWM可包括扇區(qū)探測器，其具有U模塊和Z模塊，所述U模塊接收Ua或被修改的Ua信息并輸出U扇區(qū)，所述Z模塊接收所述U扇區(qū)和Ub或被修改的Ub信息并輸出Z扇區(qū)；所述U扇區(qū)和所述Z扇區(qū)為用于實現(xiàn)2相調(diào)制的2相控制信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，對于3相調(diào)制，SVPWM可包括活動矢量(active vector)計算模塊和分配矢量模塊，其接收Ua和Ub或被修改的Ua和Ub信息以及所述U扇區(qū)，并計算用于3相調(diào)制的活動矢量；零矢量選擇器，其接收所述Z扇區(qū)并計算用于3相調(diào)制的零矢量；以及PWM計數(shù)器單元，其接收所述活動矢量和零矢量并輸出用于實現(xiàn)3相調(diào)制的3相控制信號。
所述PWM計數(shù)器單元優(yōu)選地具有對稱PWM模式、非對稱PWM模式或兩者皆有。
所述SVPWM還可包括重縮放(rescale)和過調(diào)制模塊，其用于接收與所述矢量相對應(yīng)的持續(xù)信息，并響應(yīng)所述持續(xù)信息來檢測過調(diào)制的發(fā)生。優(yōu)選地響應(yīng)負的零矢量時間來檢測過調(diào)制。所述模塊可通過將所述零矢量時間箝位到零并將所述活動矢量時段重縮放到PWM周期內(nèi)從而響應(yīng)過調(diào)制。
所述重縮放可將電壓矢量限制停留在空間矢量平面中的六邊形邊界內(nèi)，同時保持電壓相位。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種至少執(zhí)行上面概述的步驟的方法。
本發(fā)明的其它特征和有益效果在參照相應(yīng)的附圖對下面的實施方式進行詳細描述后將會變得顯而易見。
附圖簡要說明

圖1是描述3相和2相調(diào)制方案的圖。
圖2是多用途空間矢量PWM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)方框圖；圖3更加詳細地示出了圖2中的預(yù)計算和扇區(qū)探測器單元；圖4更加詳細地示出了圖2中的活動矢量計算單元；圖5更加詳細地示出了圖2中的重縮放和過調(diào)制單元；圖6是描述過調(diào)制的圖；圖7更加詳細地示出了圖2中的零矢量選擇器單元；圖8示出了狀態(tài)的順序。
本發(fā)明實施方案的詳細描述下面是PWM方案的實施例的描述。
3相和2相PWM調(diào)制方案如圖1所示。由這兩種PWM策略產(chǎn)生的伏特-秒(Volt-sec)是一致的。然而，當(dāng)使用2相調(diào)制時，其開關(guān)耗損能夠被顯著地減少，尤其是在使用高開關(guān)頻率(大于10kHz)時。
圖2示出了多用途空間矢量PWM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)方框圖。各個單元的設(shè)計在下面將進行更加詳細的描述。這種SVPWM的特點是運行時無需反正切、正弦、余弦或平方根函數(shù)；接收矩形輸入Ua和Ub(能夠容易地與大部分矢量控制器接口)；
能夠根據(jù)需要選擇零矢量；通過零矢量時間箝位簡化過調(diào)制方案；通過半PWM周期的更新自動產(chǎn)生對稱和非對稱模式。
圖3示出了圖2的預(yù)計算和扇區(qū)探測器單元中的計算的細節(jié)。該SVPWM的輸入端接收調(diào)制指數(shù)(modulation index)Ua和Ub(正交的)，其輸出是U_Sector(U扇區(qū))和Z_Sector(Z扇區(qū))(其僅用于2相調(diào)制)。扇區(qū)的區(qū)域在圖3中定義。扇區(qū)探測器完全基于判定邏輯，這為諸如FPGA的數(shù)字硬件平臺的實現(xiàn)提供了方便。
上述輸出是U_Sector和Z_Sector，其定義如下U_Sector0＜＝theta(θ)＜6060＜＝theta＜120120＜＝theta＜180180＜＝theta＜240240＜＝theta＜300300＜＝theta＜360Z_SectorA-30＜＝theta＜30B 30＜＝theta＜90C 90＜＝theta＜150D 150＜＝theta＜210E 210＜＝theta＜270F 270＜＝theta＜330圖4顯示了圖2中的活動矢量計算單元的細節(jié)。這些計算主要是分配。不需要精深的計算。
圖5顯示了重縮放和過調(diào)制單元。過調(diào)制通過在零矢量時間(T0_Cnt_Scl)計算中的負值被探測到。通過將該零矢量時間箝位到零(如果是負的話)并對活動矢量時段進行重縮放以使其處在PWM周期之內(nèi)，就可以容易地處理過調(diào)制。這種重縮放將電壓矢量限制停留在位于空間矢量平面上的六邊形界限內(nèi)(如圖6所示)。所需電壓的大小被限制為最大可能電壓界限(如圖6中的六邊形)。然而，電壓相位總被保持。
圖7顯示了零矢量選擇器單元的細節(jié)。在圖1中，對于前一半PWM周期(PWM_CNT_MAX)而言，存在有兩個用于3相調(diào)制的零矢量狀態(tài)和一個用于2相PWM的零矢量狀態(tài)。對于3相PWM，上述第一個零矢量狀態(tài)總是V7，第二個零矢量狀態(tài)是V8。然而，對于2相PWM，上述一個零矢量狀態(tài)可以是V7或V8，這取決于電壓矢量所處的位置(Z_Sector)。因此，零矢量選擇器被用來處理各種零矢量可能性。
圖2中的PWM計數(shù)器單元實施PWM門控命令(相U，相V，相W)。該單元具有階躍通過不同狀態(tài)(VEC1到VEC4，如圖1所示)的狀態(tài)序列發(fā)生器(state sequencer)。VEC1和VEC4狀態(tài)都實施零矢量，VEC2和VEC3則實施活動矢量。對于每個半PWM周期，PWM計數(shù)器單元的輸入被采樣一次，這就允許不作任何重新配置就能夠?qū)崿F(xiàn)非對稱的PWM模式操作。
對于3相調(diào)制，上述狀態(tài)序列發(fā)生器執(zhí)行VEC1-VEC2-VEC3-VEC4-VEC4-VEC3-VEC2-VEC1，如圖8所示。在VEC1狀態(tài)，上述第一零矢量將會基于T0_Vec_1和T0_Cnt來實現(xiàn)。有三個PWM計數(shù)器，其中兩個用于活動矢量，第三個用于上述兩個零矢量。對于2相PWM調(diào)制方案來說，上述狀態(tài)序列發(fā)生器不會進入狀態(tài)VEC4(VEC1-VEC2-VEC3-VEC3-VEC2-VEC1)。
每半個PWM周期出現(xiàn)兩個活動矢量?！胺峙涫噶俊眴卧?如圖2所示)確定上述兩個矢量中的哪個將被用于實現(xiàn)狀態(tài)VEC2和VEC3。在3相PWM被選定時，上述零矢量時間(T0_Cnt)為一半。
定義Ua-Alpha軸調(diào)制Ub-Beta軸調(diào)制U_Sector-如圖3所示的扇區(qū)號為1到6(每一扇區(qū)為60°)Z_Sector-如圖3所示的扇區(qū)號為A到F(每一扇區(qū)為60°)Ta_Cnt_R-用于活動矢量A的標(biāo)準(zhǔn)化持續(xù)時間Tb_Cnt_R-用于活動矢量B的標(biāo)準(zhǔn)化持續(xù)時間Ta_Vec_R-用于形成命令調(diào)制矢量的活動矢量A(V1到V6)
Tb_Vec_R-用于形成命令調(diào)制矢量的活動矢量B(V1到V6)T0_Vec_1-在狀態(tài)VEC1中使用的零矢量(V7或V8)T0_Vec_2-在狀態(tài)VEC4中使用的零矢量(V7或V8)Ta_Cnt_Scl-Ta_Cnt_R的被重縮放后的形式Tb_Cnt_Scl-Tb_Cnt_R的被重縮放后的形式T0_Cnt_Scl-零矢量標(biāo)準(zhǔn)化時間的被重縮放后的形式Ta_Cnt-用于狀態(tài)VEC2的計數(shù)器持續(xù)時間Tb_Cnt-用于狀態(tài)VEC3的計數(shù)器持續(xù)時間T0_Cnt-用于狀態(tài)VEC1和VEC4的計數(shù)器持續(xù)時間Ta_Vec-狀態(tài)VEC2中使用的矢量Tb_Vec-狀態(tài)VEC3中使用的矢量Two_Phs_Pwm-在2相或3相調(diào)制之間選擇Z_Mode-2相調(diào)制零矢量選擇模式盡管本發(fā)明關(guān)于其具體的實施方式進行了描述，許多變種和修改以及其它的使用對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，本發(fā)明不限制于本文的特定公開。
權(quán)利要求
1.一種空間矢量脈寬調(diào)制裝置(SVPWM)，包括預(yù)計算模塊，其接收Ua和Ub調(diào)制指數(shù)并響應(yīng)所述調(diào)制指數(shù)以輸出被修改的Ua和Ub信息；扇區(qū)探測器，其具有U模塊和Z模塊，所述U模塊接收所述被修改的Ua信息并輸出U扇區(qū)，所述Z模塊接收所述U扇區(qū)和所述被修改的Ub信息并輸出Z扇區(qū)；所述U扇區(qū)和所述Z扇區(qū)為用于實現(xiàn)2相調(diào)制的2相控制信號；以及對于3相調(diào)制，所述SVPWM還包括活動矢量部件，其接收所述被修改的Ua和Ub信息以及所述U扇區(qū)，并計算用于3相調(diào)制的活動矢量；零矢量選擇器，其接收所述的Z扇區(qū)并計算用于3相調(diào)制的零矢量；及PWM計數(shù)器單元，其接收所述活動矢量和零矢量并輸出用于實現(xiàn)3相調(diào)制的3相控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的SVPWM，其中，所述活動矢量部件包括活動矢量計算模塊和分配矢量模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的SVPWM，其中，所述PWM計數(shù)器單元具有對稱的PWM模式。
4.如權(quán)利要求3所述的SVPWM，其中，所述PWM計數(shù)器單元具有非對稱的PWM模式。
5.如權(quán)利要求1所述的SVPWM，其中，所述PWM計數(shù)器單元具有非對稱的PWM模式。
6.如權(quán)利要求1所述的SVPWM，還包括重縮放和過調(diào)制模塊，其用于接收與所述矢量相對應(yīng)的持續(xù)信息，并響應(yīng)所述持續(xù)信息探測過調(diào)制的發(fā)生。
7.如權(quán)利要求6所述的SVPWM，其中，響應(yīng)負的零矢量時間探測過調(diào)制。
8.如權(quán)利要求7所述的SVPWM，其中，所述重縮放和過調(diào)制模塊通過將所述零矢量時間箝位到零并對所述活動矢量時段進行重縮放以使其處于所述PWM周期內(nèi)，從而響應(yīng)過調(diào)制。
9.如權(quán)利要求8所述的SVPWM，其中，所述重縮放將電壓矢量限制停留在空間矢量平面中的六邊形的邊界內(nèi)，同時保持電壓相位。
10.一種實現(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的方法，包括下面步驟預(yù)計算步驟，在該步驟中接收Ua和Ub調(diào)制指數(shù)并響應(yīng)所述調(diào)制指數(shù)以輸出被修改的Ua和Ub信息；扇區(qū)探測器步驟，該步驟包括接收所述被修改的Ua信息并輸出U扇區(qū)的步驟，和接收所述U扇區(qū)和所述被修改的Ub信息并輸出Z扇區(qū)的步驟；其中，所述U扇區(qū)和所述Z扇區(qū)為用于實現(xiàn)2相調(diào)制的2相控制信號；以及對于3相調(diào)制，所述SVPWM還包括下面步驟活動矢量計算步驟，該步驟包括接收所述被修改的Ua和Ub信息以及所述U扇區(qū)，并計算用于3相調(diào)制的活動矢量的步驟；零矢量選擇步驟，該步驟包括接收所述的Z扇區(qū)并計算用于3相調(diào)制的零矢量的步驟；以及PWM計數(shù)步驟，該步驟包括接收所述活動矢量和零矢量并輸出用于實現(xiàn)3相調(diào)制的3相控制信號的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述PWM計數(shù)步驟執(zhí)行對稱的PWM模式。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述PWM計數(shù)步驟執(zhí)行非對稱的PWM模式。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述PWM計數(shù)步驟實現(xiàn)非對稱的PWM模式。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括過調(diào)制探測步驟，該步驟接收與所述矢量相對應(yīng)的持續(xù)信息并響應(yīng)所述持續(xù)信息以探測過調(diào)制的發(fā)生。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，響應(yīng)負的零矢量時間探測過調(diào)制。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述方法通過將所述零矢量時間箝位到零并對所述活動矢量時段進行重縮放以使其處于所述PWM周期內(nèi)的步驟從而響應(yīng)過調(diào)制。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述重縮放的步驟將電壓矢量限制停留在空間矢量平面中的六邊形的邊界內(nèi)，同時保持電壓相位。
全文摘要
一種空間矢量脈寬調(diào)制裝置(SVPWM)和由所述調(diào)制裝置實現(xiàn)的方法，預(yù)計算模塊接收Ua和Ub調(diào)制指數(shù)并響應(yīng)所述調(diào)制指數(shù)以輸出被修改的Ua和Ub信息；扇區(qū)探測器具有U模塊和Z模塊，所述U模塊接收所述被修改的Ua信息并輸出U扇區(qū)，所述Z模塊接收所述U扇區(qū)和所述被修改的Ub信息并輸出Z扇區(qū)；所述U扇區(qū)和所述Z扇區(qū)為用于實現(xiàn)2相調(diào)制的2相控制信號。對于3相調(diào)制，所述SVPWM和方法還具有活動矢量計算模塊和分配矢量模塊，其接收所述被修改的Ua和Ub信息以及所述U扇區(qū)，并計算用于3相調(diào)制的活動矢量；零矢量選擇器，其接收所述的Z扇區(qū)并計算用于3相調(diào)制的零矢量；以及PWM計數(shù)器單元，其接收所述活動矢量和零矢量并輸出用于實現(xiàn)3相調(diào)制的3相控制信號。所述SVPWM和方法可具有對稱PWM模式、非對稱PWM模式或為兩者。優(yōu)選地，還可以具有重縮放和過調(diào)制模塊，其用于接收與所述矢量相對應(yīng)的持續(xù)信息并對其進行響應(yīng)以探測過調(diào)制的發(fā)生。響應(yīng)負的零矢量時間探測過調(diào)制。所述重縮放和過調(diào)制模塊通過將所述零矢量時間箝位到零并對所述活動矢量時段進行重縮放以使其處于所述PWM周期內(nèi)，從而響應(yīng)過調(diào)制。所述重縮放將電壓矢量限制停留在空間矢量平面中的六邊形的邊界內(nèi)，同時保持電壓相位。
文檔編號H02M1/14GK1879283SQ200380101485
公開日2006年12月13日 申請日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者埃迪·英賢·何 申請人:國際整流器公司