一种混沌SPWM调制方法与流程

一种混沌spwm调制方法
技术领域
1.本发明涉及开关管控制技术领域，具体涉及一种针对开关管的混沌spwm调制方法。


背景技术：

2.常规的spwm调制技术都是利用等腰三角波作为载波与正弦信号调制波相比较，得到脉冲信号来控制开关管的通断，从而实现相应的例如dc/ac等电能变换功能。由于三角载波频率一定，spwm信号的频率跟三角载波频率相等，输出的信号具有周期性。周期信号的能量会集中在开关频率及其倍频率上，因此开关频率及其倍频附近具有较高的频谱峰值，这些高能量的谐波会造成严重的电磁干扰问题，可能会超出电磁兼容性的标准。
3.这种spwm产生的电磁干扰无法依靠硬件的办法来解决。为了解决这一问题，混沌调制技术应运而生，它不需要改变电路的拓扑结构和其他滤波等参数，在相同的条件下，通过混沌调制技术就能很好的抑制谐波电磁干扰问题，消散集中在开关频率的高能量谐波，使其分布于更宽的频带范围内。
4.不同于传统调制方案，利用混沌载波对正弦信号进行调制时，载波周期已不再是一个恒定不变的量，而是依据设定的工作方式，开关频率发生着混沌变化，同时考虑到载波周期变化范围较大可能会造成系统工作不稳定、低次谐波增加等潜在问题，通常采用的方式是，在一个基准开关周期的基础上附加由混沌信号控制的伪随机周期量，即使得igbt开关器件的pwm驱动脉冲的频率以基准开关频率为参考，随着一个混沌扩频信号小范围地进行着上下波动，其具体实现示意图如附图1所示。
5.在混沌spwm调制策略中，下式(1)则描述了每一段三角载波周期在时间上的演变规律。
6.ti＝t0+δtx(n) n＝1,2,3,4,5
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
7.其中n为载波周期变化的个数，在实际的控制过程中，n会随着混沌序列的变化而趋于无穷，通过该表达式表明三角载波的周期会随着混沌映射函数的反复迭代n次，进而持续发生着伪随机变化，且混沌映射函数每次迭代的终值都将作为下次迭代公式计算时的初始值；t0为基准开关周期，δt为载波周期上下波动的最大值，x(n)则为通过映射函数所生成的序列值，ti为三角调制载波周期。根据式(1)设计软件调制算法或搭建相应的模拟电路使得调制载波周期在一个混沌信号的控制下，在一定约束范围内发生伪随机变化，这就实现了混沌spwm调制。
8.在混沌spwm调制中，与常规pwm调制的相同点在于载波幅值维持不变，但载波周期tk会随混沌序列发生函数发生着混沌变化。tk具体表达如下：
9.tk＝t0(1+r
t
x(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
10.x(n)的取值区间为(-1,1)，使用不同的混沌映射函数产生的混沌特性也不同，进而会产生不同的扩频效果。式(2)中r
t
定义为随机深度，且满足下式(3)，其中t
max
与t
min
分别为载波周期的最大值与最小值。
[0011][0012]
混沌spwm调制能够使得定频spwm调制中分布于开关频率及其倍频次的谐波能量均匀地分布于更宽的频带范围中去，即实现扩频效果。谐波能量被扩散后，通过谐波总能量是固定的这一原理可知，混沌调制的扩频效果就可以降低原本处于开关频率及其倍频次的谐波峰值，使其谐波能量扩散至附近，不再集中于某一频率点处，这就可以起到抑制电磁干扰的作用。与常规spwm工作方式相同，以双极性调制为例，当正弦调制信号us大于混沌三角载波时，输出脉冲信号使得相应开关管导通，当正弦调制信号us低于混沌三角载波时，输出低电平信号使得相应开关管关断。
[0013]
但是，由于传统混沌调制载波周期逐周期发生着混沌变化，会给系统带来低次谐波增加、稳定性降低、输出电压畸变等问题，在较低的开关频率下，低通滤波环节已无法有效滤除由扩频作用所带来的低次谐波成分。为了增强混沌调制的适用性，必须在保证一定的emi抑制效果的基础上，减少低次谐波的增加量，确保波形的输出质量。


技术实现要素：

[0014]
本发明的目的是提供一种在起到一定扩频作用的同时又可以降低低次谐波含量增加的混沌spwm调制方法。
[0015]
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0016]
一种混沌spwm调制方法，用于对开关管进行spwm调制，所述混沌spwm调制方法包括以下步骤：
[0017]
步骤1：生成混沌载波信号和调制波信号；所述混沌载波信号包括多个周期混沌变化的信号单元，每个所述信号单元均包括p个周期相等的脉冲，p为大于1的整数；
[0018]
步骤2：比较所述混沌载波信号和所述调制波信号，基于比较结果生成spwm驱动脉冲信号；
[0019]
步骤3：利用所述spwm驱动脉冲信号控制所述开关管导通或关断。
[0020]
所述步骤1中，生成所述混沌载波信号的方法为：生成混沌序列和基准开关周期信号，利用所述混沌序列和周期波动限值生成附加混沌扰动，利用所述附加混沌扰动和所述基准开关周期信号生成所述混沌载波信号。
[0021]
所述混沌载波信号中，第k个脉冲的周期tk＝t0(1+rx(k))，其中，为t0为所述基准开关周期信号的周期，r为随机深度，x(k)为所述混沌序列，k＝1,2,3
…
，所述随机深度其中，t
max
为所述混沌载波信号的脉冲的周期的最大值，t
min
为所述混沌载波信号的脉冲的周期的最小值。
[0022]
所述步骤1中，通过映射函数生成所述混沌序列。
[0023]
所述步骤1中，通过logistic或chebyshev映射函数生成所述混沌序列。
[0024]
所述步骤1中，所述混沌序列的取值区间为(-1,1)。
[0025]
所述步骤1中，所述混沌载波信号为等腰三角波信号。
[0026]
所述步骤1中，所述调制波信号为正弦信号。
[0027]
所述步骤2中，生成所述spwm驱动脉冲信号的方法为：当所述调制波信号大于所述
混沌载波信号时，输出高电平信号，当所述调制波信号小于所述混沌载波信号时，输出低电平信号，从而形成所述spwm驱动脉冲信号。
[0028]
所述步骤3中，当所述spwm驱动脉冲信号为所述高电平信号时，所述开关管导通，当所述spwm驱动脉冲信号为所述低电平信号时，所述开关管关断。
[0029]
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的多周期混沌spwm调制法解决了使用传统载波逐周期混沌变化的spwm(正弦脉冲宽度调制)时会导致输出脉冲中含有低通滤波环节无法有效滤除的低次谐波含量增加、输出电压畸变等问题，能够在起到一定扩频作用的同时降低低次谐波含量的增加，从而确保波形的输出质量。
附图说明
[0030]
附图1为传统混沌调制实现方式示意图。
[0031]
附图2为本发明的多周期混沌spwm调制方法中混沌载波信号的示意图。
[0032]
附图3为验证本发明的多周期混沌spwm调制方法效果所搭建的开环逆变仿真平台示意图。
[0033]
附图4为采用logistic映射多周期混沌调制(左)与常规混沌调制(右)的谐波分布对比图。
[0034]
附图5为采样chebyshev映射多周期混沌调制(左)与常规混沌调制(右)的谐波分布对比图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
[0036]
实施例一：一种用于对开关管进行spwm调制的多周期混沌spwm调制方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤1：生成混沌载波信号和调制波信号。
[0038]
如附图2所示，混沌载波信号包括多个信号单元，信号单元的周期是混沌变化的；每个信号单元均包括p(p为大于1的整数)个脉冲，同一信号单元中各个脉冲的周期相等，从而当信号单元更替时，构成混沌载波信号的脉冲的周期发生混沌变化。
[0039]
生成该混沌载波信号的方法为：生成混沌序列和基准开关周期信号，利用混沌序列和周期波动限值生成附加混沌扰动，利用附加混沌扰动和基准开关周期信号生成混沌载波信号。可以通过映射函数，如logistic或chebyshev映射函数，来生成混沌序列，混沌序列的取值区间为(-1,1)。在混沌载波信号中，第k个脉冲的周期tk＝t0(1+rx(k))，其中，为t0为基准开关周期信号的周期，r为随机深度，x(k)为混沌序列，k＝1,2,3
…
，随机深度其中，t
max
为混沌载波信号的脉冲的周期的最大值，t
min
为混沌载波信号的脉冲的周期的最小值。混沌载波信号为等腰三角波信号。调制波信号为正弦信号。
[0040]
步骤2：比较混沌载波信号和调制波信号，基于比较结果生成spwm驱动脉冲信号。
[0041]
生成spwm驱动脉冲信号的方法为：当调制波信号大于混沌载波信号时，输出高电平信号，当调制波信号小于混沌载波信号时，输出低电平信号，从而形成spwm驱动脉冲信号。
[0042]
步骤3：利用spwm驱动脉冲信号控制开关管导通或关断。
[0043]
当spwm驱动脉冲信号为高电平信号时，开关管导通，当spwm驱动脉冲信号为低电平信号时，开关管关断。
[0044]
对上述方案说明如下：
[0045]
在传统混沌调制中，载波周期逐周期发生着混沌变化。而上述多周期混沌调制以重复系数p为周期个数，载波周期发生一次混沌变化，即定义重复周期数p，使得三角载波周期在重复周期数p内保持恒定，而当载波重复次数达到p后载波周期混沌变化一次，然后依然周期重复p次，重复周期数p在整个系统工作过程中为固定值。
[0046]
定义重复周期数p内单个载波周期为tk，信号单元的周期(大周期)时间为tk，则由定义可得tk＝p*tk。显然当p＝1时，多周期混沌调制中载波周期逐周期发生混沌变化，相当于传统的混沌调制方案。其中tk表达式如下：
[0047]
tk＝t0(1+rx(k))k＝1,2,3
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0048]
式中r、t0分别为随机深度与基准开关周期信号的周期(基准开关周期)，x(k)为混沌序列值，则第n个大周期更新起始时间τn为：
[0049][0050]
在多周期混沌spwm调制中，与传统载波调制方式相同，通过调制信号与混沌载波信号进行瞬时值比较的方式来产生开关器件的通断信号，即spwm驱动脉冲信号。当调制波信号大于混沌载波信号时，驱动相应开关管导通，反之则驱动相应开关器件关断。
[0051]
为了进一步验证多周期混沌调制对于频谱分布的优化效果，在simulink仿真软件中搭建了如附图3所示的开环单相全桥仿真实验平台，并对比桥臂输出电压频谱分布结果，仿真参数如下表1。
[0052]
表1多混沌spwm仿真参数
[0053]
参数数值调制波幅vr/v220滤波电容c/μf25直流母线电压v
dc
/v300阻性负载r/ω50调制波频率hz30滤波电感l/mh1基准开关频率k15
[0054]
以logistic与chebyshev映射函数为例，取重复周期数p＝150、随机深度10％，观察桥臂输出电压频谱分布，仿真结果分别如附图4与附图5。
[0055]
由此可见，本发明与现有技术相比具有下列优点：
[0056]
(1)抑制系统emi的同时降低了低次谐波的增加量；
[0057]
(2)载波周期不再逐周期发生混沌变化，提高了系统稳定性。
[0058]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种混沌spwm调制方法，用于对开关管进行spwm调制，其特征在于：所述混沌spwm调制方法包括以下步骤：步骤1：生成混沌载波信号和调制波信号；所述混沌载波信号包括多个周期混沌变化的信号单元，每个所述信号单元均包括p个周期相等的脉冲，p为大于1的整数；步骤2：比较所述混沌载波信号和所述调制波信号，基于比较结果生成spwm驱动脉冲信号；步骤3：利用所述spwm驱动脉冲信号控制所述开关管导通或关断。2.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，生成所述混沌载波信号的方法为：生成混沌序列和基准开关周期信号，利用所述混沌序列和周期波动限值生成附加混沌扰动，利用所述附加混沌扰动和所述基准开关周期信号生成所述混沌载波信号。3.根据权利要求2所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述混沌载波信号中，第k个脉冲的周期t
k
＝t0(1+rx(k))，其中，为t0为所述基准开关周期信号的周期，r为随机深度，x(k)为所述混沌序列，k＝1,2,3
…
，所述随机深度其中，t
max
为所述混沌载波信号的脉冲的周期的最大值，t
min
为所述混沌载波信号的脉冲的周期的最小值。4.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，通过映射函数生成所述混沌序列。5.根据权利要求4所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，通过logistic或chebyshev映射函数生成所述混沌序列。6.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，所述混沌序列的取值区间为(-1,1)。7.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，所述混沌载波信号为等腰三角波信号。8.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤1中，所述调制波信号为正弦信号。9.根据权利要求1所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤2中，生成所述spwm驱动脉冲信号的方法为：当所述调制波信号大于所述混沌载波信号时，输出高电平信号，当所述调制波信号小于所述混沌载波信号时，输出低电平信号，从而形成所述spwm驱动脉冲信号。10.根据权利要求9所述的混沌spwm调制方法，其特征在于：所述步骤3中，当所述spwm驱动脉冲信号为所述高电平信号时，所述开关管导通，当所述spwm驱动脉冲信号为所述低电平信号时，所述开关管关断。

技术总结
本发明涉及一种混沌SPWM调制方法，用于对开关管进行SPWM调制，其包括以下步骤：步骤1：生成混沌载波信号和调制波信号；混沌载波信号包括多个周期混沌变化的信号单元，每个信号单元均包括p个周期相等的脉冲，p为大于1的整数；步骤2：比较混沌载波信号和调制波信号，基于比较结果生成SPWM驱动脉冲信号；步骤3：利用SPWM驱动脉冲信号控制开关管导通或关断。步骤1中生成混沌载波信号的方法为：生成混沌序列和基准开关周期信号，利用混沌序列和周期波动限值生成附加混沌扰动，利用附加混沌扰动和基准开关周期信号生成混沌载波信号。本发明能够在起到一定扩频作用的同时降低低次谐波含量的增加。加。加。


技术研发人员：韩金刚 常昊 储秀红
受保护的技术使用者：千黎（苏州）电源科技有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/12