电动汽车驱动电机的三相逆变电源SPWM技术研究

董文华，程建兴

(1.河源职业技术学院 电子与信息工程系，广东 河源 517000；2.仲恺农业工程学院,广州 510225)

0 引 言

当前电动汽车已成为汽车制造发展的必然方向，电动汽车的驱动电机是关键部件，而电机的驱动电源和控制方式决定了电动汽车的整车质量，本文针对电机的驱动电源即三相逆变器PWM的调制方式进行了研究。

1 电动汽车三相逆变器SPWM调制

由于永磁同步电机具有功率密度高，控制精度好，转子结构简单等优点，成为了电动汽车核心动力的优选之一。永磁同步电机(PMSM)供电的三相驱动逆变器可以采用PWM方法产生开关波驱动6个大功率IGBT。对于连续正弦脉冲调制，常用调制方法有正弦波调制(SPWM)和基波与3次谐波叠加调制等[1-2]。

1.1 基本的SPWM调制方法

SPWM方法是用三相正弦电压基波信号Vu、Vv、Vw调制周期三角载波信号，常见驱动逆变器输出电路如图1所示，逆变器中6个IGBT由6路PWM开关信号控制，逆变器输出的三相变频电源驱动三相永磁同步电机的3个定子线圈。对于半桥结构的三相逆变器，设无刷永磁电机的三相中点电压为V0[3]。

图1 三相逆变器输出电路图

图中，负载是三相永磁电机的定子线圈，V0是中性接点，三相负载的相电压分别为

(1)

(2)

(3)

将逆变器输出相电压Vu0进行傅里叶展开有[1，4]:

(4)

式中，m为调制度，n为谐波次数,ω1、ωs分别是正弦调制波和三角波载波的角频率。

三相永磁同步电机定子线圈的线电压为

Vuv=Vu0-Vv0

(5)

Vvw=Vv0-Vω0

(6)

Vωu=Vω0-Vu0

(7)

当n=1时,线电压Vuv的基波成分为

(8)

1.2 基波和三次谐波叠加注入的PWM方法

为了提高蓄电池电压E的利用率，可在基波上叠加3次谐波然后调制三角波载波。但是确定注入3次谐波的相位比较困难，文献[1]提出根据三相调制波峰值不超过三角波峰值的原则，按三相电压中瞬时值最大(正过调节)或瞬时值最小(负过调节)一相为标准进行补偿的方法，选择补偿量(零序分量Vn)对三相电压进行共同注入。目前对注入的零序电压Vn有不同计算方法[5-6]。

在文献[1]中，三角波的调制电压表达式为

(9)

(10)

式中，0≤k≤1,当k=1时，Vn为

(11)

文献[1]对m和k的不同取值，进行了仿真，但是没有比较最优的m、k取值。图2为仿真的开关调制波，其中，基波频率为50 Hz，注入3次谐波幅值为1/6，三角载波频率为500 Hz，k=0.5，Vu,Vv,Vw3个调制基波的幅值分别为0.99,0.97,0.95，基波的平均幅值为0.97。

图2 注入3次谐波后的调制波形

文献[2]提出了Vn的另外一种计算方法，即：

(12)

在式(12)中，对k的取值没有优化考虑。图3为文献[2]计算Vn的示意图。

图3 Vn电压的计算方法

当k=2时，式(12)的Vn为[2]

(13)

从式(13)中可见，Vn取了三相调制波中最大和最小值之间的平均值，Vn的频率是基波的三倍，本文取k=2，基波与中性点电压叠加波形如图4所示，该方法的缺陷是当调制电压最大和最小电压相差较大时Vn大，会导致Vu-Vn(或者Vv-Vn,Vw-Vn)太小[7]。

图4 三相电压和3次谐波叠加

由于驱动逆变器中6个IGBT开关管设置了死区时间，考虑到为减小开关损耗而优化开关次数带来的开关损耗各相不平衡，导致三相负载电压不平衡，所以三相中点电压误差V0一般不为零。为了避免因叠加Vn造成的基波幅值相差过大，本文设计了一种计算零序电压Vn的方法，即:

(14)

式中，去掉了三相电压中最大和最小值，选取三相电压的中间值电压k分之一作为Vn。图5为本文方法的仿真开关波形，其中，Vu,Vv,Vw3个基波的幅值分别为0.99,0.97,0.95，基波的平均幅值为0.97，基波频率为50 Hz，三角载波频率为500 Hz，k=6。

图5 在调制波中注入3次谐波的开关波形

2 调制基波中叠加3次谐波的优点

文献[1]和文献[2]都提出了在调制基波中叠加注入3次谐波电压或叠加零序电压Vn。与常规SPWM相比，在正弦基波调制波中注入Vn零序分量后，调制波的基波幅值增大，可以增加蓄电池的利用率。

根据文献[1]，调制波基波为

(15)

式中，Vr为三角载波的幅值，所以与基波叠加的3次谐波为

(16)

当基波幅值为1时，叠加3次谐波后的调制波为

(17)

图6 U相调制电压叠加3次谐波的波形

3 结 语

为了提高电动汽车蓄电池电压E的利用率，需要对逆变器SPWM调制电压进行优化，在连续线性调制时，为了克服常规SPWM方法存在蓄电池电压利用率低的缺点，推导了在基波中注入3次谐波的优化SPWM控制算法。调制基波电压注入零序电压也可以优化PWM方法，通过对3种零序电压Vn的计算方法比较和仿真，提出了一种克服三相电压差值过大的零序电压计算方法。计算和仿真证明在基波叠加零序电压后的调制波，改善了脉冲开关波形，增加了开关导通时间，使逆变器输出电压的基波分量增加，提高了电动汽车蓄电池电压利用率。叠加3次谐波幅值的大小，可以影响永磁同步电机的三相驱动电压谐波成分，通过改变零序电压调制参数值，可以改变电动汽车电机驱动电压的总谐波含量。