董文華，程建興

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程系，廣東 河源 517000；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,廣州 510225)

0 引 言

當(dāng)前電動(dòng)汽車已成為汽車制造發(fā)展的必然方向，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是關(guān)鍵部件，而電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源和控制方式?jīng)Q定了電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量，本文針對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源即三相逆變器PWM的調(diào)制方式進(jìn)行了研究。

1 電動(dòng)汽車三相逆變器SPWM調(diào)制

由于永磁同步電機(jī)具有功率密度高，控制精度好，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為了電動(dòng)汽車核心動(dòng)力的優(yōu)選之一。永磁同步電機(jī)(PMSM)供電的三相驅(qū)動(dòng)逆變器可以采用PWM方法產(chǎn)生開關(guān)波驅(qū)動(dòng)6個(gè)大功率IGBT。對(duì)于連續(xù)正弦脈沖調(diào)制，常用調(diào)制方法有正弦波調(diào)制(SPWM)和基波與3次諧波疊加調(diào)制等[1-2]。

1.1 基本的SPWM調(diào)制方法

SPWM方法是用三相正弦電壓基波信號(hào)Vu、Vv、Vw調(diào)制周期三角載波信號(hào)，常見驅(qū)動(dòng)逆變器輸出電路如圖1所示，逆變器中6個(gè)IGBT由6路PWM開關(guān)信號(hào)控制，逆變器輸出的三相變頻電源驅(qū)動(dòng)三相永磁同步電機(jī)的3個(gè)定子線圈。對(duì)于半橋結(jié)構(gòu)的三相逆變器，設(shè)無刷永磁電機(jī)的三相中點(diǎn)電壓為V0[3]。

圖1 三相逆變器輸出電路圖

圖中，負(fù)載是三相永磁電機(jī)的定子線圈，V0是中性接點(diǎn)，三相負(fù)載的相電壓分別為

(1)

(2)

(3)

將逆變器輸出相電壓Vu0進(jìn)行傅里葉展開有[1，4]:

(4)

式中，m為調(diào)制度，n為諧波次數(shù),ω1、ωs分別是正弦調(diào)制波和三角波載波的角頻率。

三相永磁同步電機(jī)定子線圈的線電壓為

Vuv=Vu0-Vv0

(5)

Vvw=Vv0-Vω0

(6)

Vωu=Vω0-Vu0

(7)

當(dāng)n=1時(shí),線電壓Vuv的基波成分為

(8)

1.2 基波和三次諧波疊加注入的PWM方法

為了提高蓄電池電壓E的利用率，可在基波上疊加3次諧波然后調(diào)制三角波載波。但是確定注入3次諧波的相位比較困難，文獻(xiàn)[1]提出根據(jù)三相調(diào)制波峰值不超過三角波峰值的原則，按三相電壓中瞬時(shí)值最大(正過調(diào)節(jié))或瞬時(shí)值最小(負(fù)過調(diào)節(jié))一相為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，選擇補(bǔ)償量(零序分量Vn)對(duì)三相電壓進(jìn)行共同注入。目前對(duì)注入的零序電壓Vn有不同計(jì)算方法[5-6]。

在文獻(xiàn)[1]中，三角波的調(diào)制電壓表達(dá)式為

(9)

(10)

式中，0≤k≤1,當(dāng)k=1時(shí)，Vn為

(11)

文獻(xiàn)[1]對(duì)m和k的不同取值，進(jìn)行了仿真，但是沒有比較最優(yōu)的m、k取值。圖2為仿真的開關(guān)調(diào)制波，其中，基波頻率為50 Hz，注入3次諧波幅值為1/6，三角載波頻率為500 Hz，k=0.5，Vu,Vv,Vw3個(gè)調(diào)制基波的幅值分別為0.99,0.97,0.95，基波的平均幅值為0.97。

圖2 注入3次諧波后的調(diào)制波形

文獻(xiàn)[2]提出了Vn的另外一種計(jì)算方法，即：

(12)

在式(12)中，對(duì)k的取值沒有優(yōu)化考慮。圖3為文獻(xiàn)[2]計(jì)算Vn的示意圖。

圖3 Vn電壓的計(jì)算方法

當(dāng)k=2時(shí)，式(12)的Vn為[2]

(13)

從式(13)中可見，Vn取了三相調(diào)制波中最大和最小值之間的平均值，Vn的頻率是基波的三倍，本文取k=2，基波與中性點(diǎn)電壓疊加波形如圖4所示，該方法的缺陷是當(dāng)調(diào)制電壓最大和最小電壓相差較大時(shí)Vn大，會(huì)導(dǎo)致Vu-Vn(或者Vv-Vn,Vw-Vn)太小[7]。

圖4 三相電壓和3次諧波疊加

由于驅(qū)動(dòng)逆變器中6個(gè)IGBT開關(guān)管設(shè)置了死區(qū)時(shí)間，考慮到為減小開關(guān)損耗而優(yōu)化開關(guān)次數(shù)帶來的開關(guān)損耗各相不平衡，導(dǎo)致三相負(fù)載電壓不平衡，所以三相中點(diǎn)電壓誤差V0一般不為零。為了避免因疊加Vn造成的基波幅值相差過大，本文設(shè)計(jì)了一種計(jì)算零序電壓Vn的方法，即:

(14)

式中，去掉了三相電壓中最大和最小值，選取三相電壓的中間值電壓k分之一作為Vn。圖5為本文方法的仿真開關(guān)波形，其中，Vu,Vv,Vw3個(gè)基波的幅值分別為0.99,0.97,0.95，基波的平均幅值為0.97，基波頻率為50 Hz，三角載波頻率為500 Hz，k=6。

圖5 在調(diào)制波中注入3次諧波的開關(guān)波形

2 調(diào)制基波中疊加3次諧波的優(yōu)點(diǎn)

文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]都提出了在調(diào)制基波中疊加注入3次諧波電壓或疊加零序電壓Vn。與常規(guī)SPWM相比，在正弦基波調(diào)制波中注入Vn零序分量后，調(diào)制波的基波幅值增大，可以增加蓄電池的利用率。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，調(diào)制波基波為

(15)

式中，Vr為三角載波的幅值，所以與基波疊加的3次諧波為

(16)

當(dāng)基波幅值為1時(shí)，疊加3次諧波后的調(diào)制波為

(17)

圖6 U相調(diào)制電壓疊加3次諧波的波形

3 結(jié) 語

為了提高電動(dòng)汽車蓄電池電壓E的利用率，需要對(duì)逆變器SPWM調(diào)制電壓進(jìn)行優(yōu)化，在連續(xù)線性調(diào)制時(shí)，為了克服常規(guī)SPWM方法存在蓄電池電壓利用率低的缺點(diǎn)，推導(dǎo)了在基波中注入3次諧波的優(yōu)化SPWM控制算法。調(diào)制基波電壓注入零序電壓也可以優(yōu)化PWM方法，通過對(duì)3種零序電壓Vn的計(jì)算方法比較和仿真，提出了一種克服三相電壓差值過大的零序電壓計(jì)算方法。計(jì)算和仿真證明在基波疊加零序電壓后的調(diào)制波，改善了脈沖開關(guān)波形，增加了開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，使逆變器輸出電壓的基波分量增加，提高了電動(dòng)汽車蓄電池電壓利用率。疊加3次諧波幅值的大小，可以影響永磁同步電機(jī)的三相驅(qū)動(dòng)電壓諧波成分，通過改變零序電壓調(diào)制參數(shù)值，可以改變電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的總諧波含量。