专利摘要

本发明公开一种开关周期优化空间矢量脉宽调制方法及调制器，通过一个宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，不同时间窗口内的开关周期相互独立；同一个时间窗口内的开关周期相互关联，开关周期受到时间窗口、开关周期系数与调制比及相角之间的优化规律控制，能够显著降低SVPWM中集簇谐波大的峰值，极大降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质；通过宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，充分利用功率开关管的频率范围，提高了变频系统的性价比；本发明的调制器可以充分利用FPGA灵活的电路定制特点，将调速系统的其他电路及算法集成在一块FPGA中；提高了控制软件执行的速度，为其在变频调速系统中的应用提供了保障。

权利要求

1. 一种开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，通过一个宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，控制平均开关频率的方式为：不同时间窗口内的开关周期相互独立；同一个时间窗口内的开关周期相互关联，所述宽度自适应调节的时间窗口体现为计时变量                                                。

2.根据权利要求1所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，当用于确定性或随机空间矢量脉宽调制方法时，将以逆变器6个非零基本电压矢量（ ）端点为顶点的六边形区域分为两大类区域：R区域和Q区域，R区域中包括子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6，Q区域中包括子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6， R区域中开关周期系数 ，Q区域中 ，区域边界处 。

3.根据权利要求2所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，当用于确定性或随机空间矢量脉宽调制方法时，开关周期受到时间窗口、开关周期系数 与调制比 及相角 之间的优化规律控制，具体包括如下步骤：

S1：调制器开始工作，根据命令电压矢量 旋转方向及当前值检测 是否由Q区域跃进R区域:a.如果是，则设定宽度自适应调节的时间窗口开始计时，计数变量 与计时变量 赋初值0，执行步骤S2；b.如果不是，则以固定的开关周期 作为调制周期，即 ，执行步骤S7；

S2：检测是否满足时间窗口归零条件：a.如果满足，则计数变量 赋初值0，计时变量 赋初值0，执行步骤S3；b.如果不满足，直接执行步骤S3；

S3： ，根据控制器输出命令电压矢量 的幅值与相角，查表求周期系数 ，再结合固定的开关周期 ，求得开关周期 ,执行步骤S4；

S4：根据命令电压矢量 当前值检测所处区域:a.如果处于R区域或区域边界，则执行步骤S6；b.如果处于Q区域，则执行步骤S5；

S5：判断是否满足采用查表求得的最优周期条件：a.如果是，则执行步骤S6；b.如果否，则 ，执行步骤S6；

S6： ，执行步骤S7；

S7：计算基本电压矢量的作用时间,通过脉冲跳变时刻的下降沿提前或上升沿延迟的方法设定死区时间，根据设定的死区时间，计算脉冲跳变时刻, 脉冲跳变时刻寄存器、周期寄存器赋值，由调制器生成6路脉冲开关信号。

4.根据权利要求3所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S2中，时间窗口归零的条件是：a.由Q区域跃进R区域或由一个R子区域直跃进另一个R子区域；b. 大于等于设定值 ，即 。

5.根据权利要求4所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S3中，查表求得周期系数 的方法是：将周期系数 与调制比 及相角 之间的关系离散化，所述查表的方法为：a.判断 与 所处的矩形网格区域，查找所处网格区域的四个顶点对应的周期系数 的值，用插值方法得到当前命令电压矢量所对应的 值；或b.用最临近的网格点上的周期系数 代替。

6.根据权利要求5所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述离散化的方法为： 和 分别以固定的步长 和 进行离散，只将离散化网格上对应的 值存储于存储器中，供查表使用。

7.根据权利要求6所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S5中，命令电压矢量在Q区域时，判断是否满足采用查表求得的最优周期条件是： 。

8.一种如权利要求1-7之一所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制器，其特征在于，包括两组脉冲跳变时刻寄存器、一个周期寄存器、一个计数及初值重装载电路、一个切换电路和一个脉冲产生电路，其中：

所述周期寄存器用来存放调制周期；

两组脉冲跳变时刻寄存器中均用于存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻；

所述计数及初值重装载电路的计数器用于接受计数脉冲并根据脉冲进行减1计数，当计数器减至0，再减1溢出时，输出溢出信号脉冲，控制从周期寄存器重新装载计数初值，开始下一周期的计数，溢出信号脉冲又送入切换电路，计数器的当前值送脉冲产生电路；

所述脉冲产生电路用于将计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较，若相同，则脉冲跳变，脉冲的跳变最终转化为逆变器需要的6路控制信号输出。

9.根据权利要求8所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制器，其特征在于，每组脉冲跳变时刻寄存器包含12个寄存器，这24个寄存器中存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻，每组中都有4个寄存器控制A相：一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制B相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制C相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿。

10.根据权利要求9所述的开关周期优化空间矢量脉宽调制器，其特征在于，所述两组脉冲跳变时刻寄存器交替使用，脉冲跳变时刻寄存器中存放的脉冲跳变时刻已经包含了死区时间，直接用于产生控制脉冲。

说明书

技术领域

本发明属交流变频技术领域，具体涉及一种能够降低谐波畸变及集簇谐波峰值的开关周期优化空间矢量脉宽调制方法及调制器。

背景技术

如图1所示的两电平三相逆变器及空间矢量PWM（SVPWM）广泛应用于工农业生产的各个方面。SVPWM是基于“伏-秒平衡”的基本原理，用宽度不断变化的电压脉冲来等效需要的命令电压，因此，谐波不可避免。谐波带来能量损耗，引起电机发热；低频谐波还能够引起转矩脉动，进而导致机械振动；陡峭的脉冲还引发严重的电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行。

针对以上这些问题，科研工作者及工程技术人员提出了随机化的方法来抑制电磁干扰，采用优化方法来消除特定次谐波、减小谐波畸变。开关周期(频率)是SVPWM的主要参数之一，也是优化及随机化处理的主要对象之一。随机化开关周期(频率)能够极大地削弱集簇谐波的峰值，进而减小集簇谐波带来的不良效应；优化开关周期不仅能够极大地削弱集簇谐波的峰值，而且还能极大地降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质，具有极大的实用价值和应用前景。

现有技术常用的脉宽调制方法为：

每相上下两个开关管成互补导通。不同的开关状态可以形成8个基本的电压矢量，包括6个非零基本电压矢量（                                                 ）和2个零电压矢量（ ），如图2所示。图2中：1表示上臂导通，0表示下臂导通。以6个非零基本电压矢量的端点为顶点的正六边形可分为如图2所示的6个区。

论文《交流伺服及低损耗工业驱动中的优化脉宽调制技术 (Optimal Pulsewidth Modulation for AC Servos and Low-cost Industrial Drives)》(IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.40, No.4, pp. 1039~1047, 1994)给出了确定性SVPWM在不同命令电压幅值、不同相角下以谐波畸变最小为目标的最优开关周期的离散确定方法，此方法能够保证在电动机稳态(转速恒定)运行时在一个基波周期或一个扇区周期内总的开关次数恒定不变。论文《随机SVPWM的开关周期优化方法(Switching period optimization method to random space vector PWM)》(International Journal of Advancements in Computing Technology, Vol.5, No.4, pp. 181~189, 2013) 给出了随机SVPWM下以谐波畸变最小为目标的最优开关周期的确定方法，此方法能够保证在电动机稳态(转速恒定)运行时在一个基波周期或一个扇区周期内总的平均开关次数恒定不变。上述两篇论文中给出的最优开关周期(开关周期系数)与调制比及相角的函数有确定的规律，即最优开关周期(开关周期系数)都是调制比与相角的函数。

但是，在电动机闭环控制系统，如电动汽车电驱动的矢量控制系统中，由于命令转矩随着油门不断变化，导致控制器输出的命令电压矢量不断变化，命令电压矢量不再等幅值匀速旋转。此时，三相命令电压已经不再是正弦波，就导致功率管（如IGBT）的平均开关频率不可控。如果开关频率太高，可能烧坏功率管；如果开关频率太低，则可以用来降低谐波的开关频率不能得到充分利用。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种能够降低谐波畸变与集簇谐波峰值、又能充分利用功率管开关频率的以谐波畸变最小为目标的开关周期优化SVPWM方法及采用该方法的设备，以削弱集簇谐波的峰值、降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质、功率管的性价比及调速系统的电磁兼容性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下所描述：

一种开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，通过一个宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，控制平均开关频率的方式为：不同时间窗口内的开关周期相互独立；同一个时间窗口内的开关周期相互关联，所述宽度自适应调节的时间窗口体现为计时变量 。

进一步，当用于确定性或随机空间矢量脉宽调制方法时，将以逆变器6个非零基本电压矢量（ ）端点为顶点的六边形区域分为两大类区域：R区域和Q区域，R区域中包括子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6，Q区域中包括子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6， R区域中开关周期系数 ，Q区域中 ，区域边界处 。

进一步，当用于确定性或随机空间矢量脉宽调制方法时，开关周期受到时间窗口、开关周期系数 与调制比 及相角 之间的优化规律控制，具体包括如下步骤：

S1：调制器开始工作，根据命令电压矢量 旋转方向及当前值检测 是否由Q区域跃进R区域:a.如果是，则设定宽度自适应调节的时间窗口开始计时，计数变量 与计时变量 赋初值0，执行步骤S2；b.如果不是，则以固定的开关周期 作为调制周期，即 ，执行步骤S7；

S2：检测是否满足时间窗口归零条件：a.如果满足，则计数变量 赋初值0，计时变量 赋初值0，执行步骤S3；b.如果不满足，直接执行步骤S3；

S3： ，根据控制器输出命令电压矢量 的幅值与相角，查表求周期系数 ，再结合固定的开关周期 ，求得开关周期 ,执行步骤S4；

S4：根据命令电压矢量 当前值检测所处区域:a.如果处于R区域或区域边界，则执行步骤S6；b.如果处于Q区域，则执行步骤S5；

S5：判断是否满足采用查表求得的最优周期条件：a.如果是，则执行步骤S6；b.如果否，则 ，执行步骤S6；

S6： ，执行步骤S7；

S7：计算基本电压矢量的作用时间,通过脉冲跳变时刻的下降沿提前或上升沿延迟的方法设定死区时间，根据设定的死区时间，计算脉冲跳变时刻, 脉冲跳变时刻寄存器、周期寄存器赋值，由调制器生成6路脉冲开关信号。

进一步，所述优化规律是指以谐波畸变最小为目的得到。

进一步，开关周期优化空间矢量脉宽调制方法，所述步骤S2中，时间窗口归零的条件是：a.由Q区域跃进R区域或由一个R子区域直跃进另一个R子区域；b. 大于等于设定值 ，即 。

进一步，所述步骤S3中，查表求得周期系数 的方法是：将周期系数 与调制比 及相角 之间的关系离散化，所述查表的方法为：a.判断 与 所处的矩形网格区域，查找所处网格区域的四个顶点对应的周期系数 的值，用插值方法得到当前命令电压矢量所对应的 值；或b.用最临近的网格点上的周期系数 代替。

进一步，所述离散化的方法为： 和 分别以固定的步长 和 进行离散，只将离散化网格上对应的 值存储于存储器中，供查表使用。

再进一步，所述步骤S5中，命令电压矢量在Q区域时，判断是否满足采用查表求得的最优周期条件是： 。

一种开关周期优化空间矢量脉宽调制器，包括两组脉冲跳变时刻寄存器、一个周期寄存器、一个计数及初值重装载电路、一个切换电路和一个脉冲产生电路，其中：

所述周期寄存器用来存放调制周期；

两组脉冲跳变时刻寄存器中均用于存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻；

所述计数及初值重装载电路的计数器用于接受计数脉冲并根据脉冲进行减1计数，当计数器减至0，再减1溢出时，输出溢出信号脉冲，控制从周期寄存器重新装载计数初值，开始下一周期的计数，溢出信号脉冲又送入切换电路，计数器的当前值送脉冲产生电路；

所述脉冲产生电路用于将计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较，若相同，则脉冲跳变，脉冲的跳变最终转化为逆变器需要的6路控制信号输出。

进一步，每组脉冲跳变时刻寄存器包含12个寄存器，这24个寄存器中存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻，每组中都有4个寄存器控制A相：一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制B相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制C相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿。

再进一步，所述两组脉冲跳变时刻寄存器交替使用，脉冲跳变时刻寄存器中存放的脉冲跳变时刻已经包含了死区时间，直接用于产生控制脉冲。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明提供的开关周期优化SVPWM方法，通过宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，在保证平均开关频率不超过功率开关管正常工作要求的频率范围的同时，考虑了电机控制系统动态变化的情况，充分利用了功率开关管的频率特性，提高了变频系统的性价比；

（2）本发明的方法在保证基波电压、每个调制周期内平均开关次数等不变的前提下，能够显著降低SVPWM中集簇谐波大的峰值，而且能极大降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质及调速系统的电磁兼容性； 

（3）本发明的调制器中三相控制脉冲的死区时间及产生方式可以独立设置，具有很大的灵活性，方便了先进死区补偿算法的结合应用；

（4）本发明的调制器可以充分利用FPGA灵活的电路定制特点，将调速系统的其他电路及算法集成在一块FPGA中；利用FPGA的并行执行特性提高了控制软件执行的速度，为更加先进控制算法与调制算法的相互融合，以及其在变频调速系统中的应用提供了保障。

（5）本发明中的开关周期随着命令电压矢量的旋转速度、幅值及相角不断变化，本发明的方法不仅可以适用于确定性SVPWM，还可以适用于随机SVPWM。

附图说明

图1为两电平三相逆变器与电动机连接方法示意图；

图2为基本电压矢量及合成方法示意图；

图3为Q、R分区示意图；

图4为在图2中的第 区内最优周期系数与相角和调制比间的关系图；

图5为本发明提供的脉宽调制方法的流程图；

图6为本发明的一个应用方案示意图；

图7为本发明的调制器的逻辑电路图；

图8为现在采用的对称式7段作用方式固定开关周期SVPWM方法下逆变器输出的A相电压脉冲在基波周期内采样，进行傅里叶变换得到的幅值谱图；

图9为本发明方法及设备下逆变器输出的A相电压脉冲在基波周期内采样，进行傅里叶变换得到的幅值谱图；

图10为现在采用的对称式7段作用方式固定开关周期SVPWM方法下开关周期随时间变化图； 

图11为本发明方法及设备下某一时间窗口开始一段时间内开关周期随时间变化图。

具体实施方式

本发明的目的在于提出一种能够降低谐波畸变与集簇谐波峰值、又能充分利用功率管开关频率的以谐波畸变最小为目标的开关周期优化SVPWM方法及采用该方法的设备，以削弱集簇谐波的峰值、降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质、功率管的性价比及调速系统的电磁兼容性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种能够降低谐波的开关周期优化SVPWM方法，通过一个宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率。具体控制方式为，不同时间窗口内的开关周期相互独立；同一个时间窗口内的开关周期相互关联，即前面的开关周期影响后面的开关周期。所述宽度自适应调节的时间窗口体现为定时 。

所述的开关周期优化SVPWM方法，将以逆变器6个非零基本电压矢量（ ）端点为顶点的六边形区域分为两大类区域：R区域和Q区域。又细分为12个子区域，R区域中包括子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6；Q区域中包括子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，如图3所示。子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6中开关周期系数 ，子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6中 ，区域边界处 。其在扇区 中开关周期系数 与调制比 及相角 的关系如图4所示。

如图5所示，所述的开关周期优化SVPWM方法，当用于闭环电动机的矢量控制系统中时，平均开关频率受到可变定时 的控制，具体包括如下步骤：

S1：调制器开始工作，根据命令电压矢量 旋转方向及当前值检测 是否由Q区域跃进R区域：a.如果是，则设定宽度自适应调节的时间窗口开始计时，计数变量 与计时变量 赋初值0，执行步骤S2；b.如果不是，则以固定的开关周期 作为调制周期，即 ，执行步骤S7。

S2：检测是否满足时间窗口归零(重新开始)条件，即是否满足如下两条：a.由Q区域跃进R区或由一个R子区域直跃进另一个R子区域；b. 大于等于设定值 ，即 。如果满足，则计数变量 赋初值0，计时变量 赋初值0，执行步骤S3。如果不满足，直接执行步骤S3。

S3： ，根据控制器输出命令电压矢量 的幅值与相角，查表求周期系数 ，再结合固定的开关周期 ，求得开关周期 。执行步骤S4。

S4：根据命令电压矢量 当前值检测所处区域：a.如果处于R区域或区域边界，则执行步骤S6；b.如果处于Q区域，则执行步骤S5。

S5：判断 ？a.如果是，则执行步骤S6；b.如果否，则 ，执行步骤S6。

S6： ，执行步骤S7。

S7：计算基本电压矢量的作用时间,根据设定的死区时间（通过脉冲跳变时刻的下降沿提前或上升沿延迟的方法设定死区时间，死区时间取决于功率管，如IGBT的制作工艺，即选择的IGBT的型号)，计算脉冲跳变时刻,脉冲跳变时刻寄存器、周期寄存器赋值，由调制器生成6路脉冲开关信号。

其中，所述步骤S3中，查表求得周期系数 的方法是：将周期系数 与调制比 及相角 之间的关系离散化，即 和 分别以固定的步长 和 进行离散，只将离散化网格上对应的 值存储于存储器中，供查表使用。查表的方法为： 

判断 与 所处的矩形网格区域，查找如图4所示网格区域的四个顶点对应的周期系数 的值，用插值法(如，双线性插值法)得到当前命令电压矢量所对应的 值；或用最临近的网格点上的周期系数 代替。

本发明提供的开关周期优化SVPWM方法，在保证平均开关频率不超过功率开关管正常工作要求的频率范围的同时，考虑了电机控制系统动态变化的情况，充分利用了功率开关管的频率特性，可以在削弱谐波峰值的同时，极大地减小总的谐波畸变。

本发明中的开关周期随着命令电压矢量的旋转速度、幅值及相角不断变化，本发明的方法不仅可以适用于确定性SVPWM，还可以适用于随机SVPWM。在随机SVPWM中，随机化打破了脉冲的对称性，而现在普遍流行的数字控制芯片无法产生非对称波形的脉冲。因此，为了使本发明的方法还能够适用于随机SVPWM并方便死区时间设置与补偿，（如图6、7所示）本发明还提供了一种基于FPGA的调制器，其开关周期采用上述的优化方法，其安装于变频调速系统的电路中，主要包括：

（1）一个寄存器区，其包括两个脉冲跳变时刻寄存器组、一个周期寄存器。一个周期寄存器，用来存放调制周期。两个跳变时刻寄存器组，每组有12个寄存器，这24个寄存器中存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻。每组中都有4个寄存器控制A相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制B相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制C相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿。两组寄存器交替使用产生控制脉冲，若上一调制周期使用第一组寄存器，则本周期使用第二组，下周期使用第一组。

（2）一个计数及初值重装载电路，其中计数器接受计数脉冲并根据脉冲进行减1计数。当计数器减至0，再减1溢出时，输出溢出信号脉冲，控制从周期寄存器重新装载计数初值，开始下一周期的计数。溢出信号脉冲又送入切换电路。计数器的当前值送脉冲产生电路。

（3）切换电路。该电路接受来自计数器的溢出信号，控制两组寄存器交替地通过切换电路，并送脉冲产生电路。

（4）脉冲产生电路。其作用是：将计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较，若相同，则脉冲跳变。脉冲的跳变最终转化为逆变器需要的6路控制信号输出。

在基于FPGA的硬件实现方面，本发明通过使控制脉冲跳变时刻的两个寄存器组交替参与比较来实现6路脉冲的产生。目前流行的控制芯片的功能都是针对脉冲对称布置的调制方法，即脉冲前后沿参与比较的寄存器赋值一样，无法实现本发明提供非对称空间矢量脉宽调制方法；而且，目前流行的控制芯片死区时间产生方式是固定的。

本发明的主要思想是：在当前周期对不参与比较的跳变时刻寄存器进行赋值；在当前周期结束（下周期开始）时刻，两组寄存器状态切换，在当前周期赋值的跳变时刻寄存器参与比较，当前周期参与比较的跳变时刻寄存器组变为不比较状态，为赋值做准备；而且在脉冲前后沿参与比较的寄存器所赋值已经包含了死区时间，死区时间设置及死区补偿本质上都是通过提前或延迟脉冲跳变时刻(下降沿提前或上升沿延迟)来实现，在每个周期3相一共有12个脉冲跳变时刻，本发明可以任意组合这12个脉冲跳变时刻的提前与延迟作用方式，这种死区时间的作用方式非常灵活，方便了死区时间设置及先进死区补偿的算法的结合应用。该方法思路新颖，结构简单，应用灵活；而且充分应用了FPGA的并行特性，运行速度快。

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行描述：

本发明提供了一种开关周期优化SVPWM方法及基于FPGA的调制器，其逆变器的结构如图1所示。本发明提供的调制器可以安装于变频调速系统的控制器与隔离驱动电路之间，也可以将其与控制器集成在一个FPGA中，如图6所示。

本发明各图中主要元件符号说明如下：1为寄存器区；2 为计数及初值重装载电路；3为切换电路；4为脉冲产生电路；11为寄存器组1；12为寄存器组2；13为周期寄存器； 21为计数器; 22为重装载电路。

本发明的实施首先要将图2中的6个扇区分为图3所示的两大类区域：R区域和Q区域。又细分为12个子区域，R区域中包括子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6；Q区域中包括子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6。子区域R1，R2，R3，R4，R5，R6中开关周期系数 ，子区域Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6中 ，区域边界处 。对于一些脉宽调制策略来说，开关周期系数 的解析的表达式求解困难，可以采用论文《随机SVPWM的开关周期优化方法(Switching period optimization method to random space vector PWM)》(International Journal of Advancements in Computing Technology, Vol.5, No.4, pp. 181~189, 2013)中给出的数值分析的方法计算数值解。

然后需要根据控制器输出的命令电压矢量 判断是否满足开关周期优化SVPWM运行的条件，当满足条件后，进入开关周期优化SVPWM工作模式。计算 的幅值与相角，根据幅值及相角求得周期系数 的值，进而计算脉冲跳变的时刻，其实现步骤如图5所示，具体如下：

S1：调制器开始工作，根据命令电压矢量 旋转方向及当前值检测 是否由Q区域跃进R区域：a.如果是，则设定宽度自适应调节的时间窗口开始计时，计数变量 与计时变量 赋初值0，执行步骤S2；b.如果不是，则以固定的开关周期作 为调制周期，即 ，执行步骤S7。

S2：检测是否满足时间窗口归零(重新开始)条件，即是否满足如下两条：a.由Q区域跃进R区或由一个R子区域直跃进另一个R子区域；b. 大于等于设定值 ，即 。如果满足，则计数变量 赋初值0，计时变量 赋初值0，执行步骤S3。如果不满足，直接执行步骤S3。

S3： ，计算命令电压矢量 的幅值与相角，查表求周期系数，求得开关周期 ，求得开关周期 。执行步骤S4。

S4：根据命令电压矢量 当前值检测所处区域：a.如果处于R区域或区域边界，则执行步骤S6；b.如果处于Q区域，则执行步骤S5.

S5：判断 ？a.如果是，则执行步骤S6；b.如果否，则 ，执行步骤S6。

S6： ，执行步骤S7。

S7：计算基本电压矢量的作用时间, 通过脉冲跳变时刻的下降沿提前或上升沿延迟的方法设定死区时间，根据设定的死区时间，计算脉冲跳变时刻,脉冲跳变时刻寄存器、周期寄存器赋值，由调制器生成6路脉冲开关信号。

所述步骤S3中，查表求得周期系数 的方法是：将周期系数 与调制比 及相角 之间的关系离散化，即 和 分别以固定的步长 和 进行离散，只将离散化网格上对应的 值存储于存储器中，供查表使用。查表的方法为： 

判断 与 所处的矩形网格区域，查找如图4所示网格区域的四个顶点对应的周期系数 的值，用插值法得到当前命令电压矢量所对应的 值；或用最临近的网格点上的周期系数 代替。

具体的实施过程中，由于图2所示的6个区中，最优周期系数 与 与 之间的关系是相同的；而且，在同一个区中，如第 区中，其 的范围为 ，即 ，也是关于 对称，因此只需要存储 的范围为 的部分，如图4所示。

开关周期系数 与调制比 及相角 之间关系的解析表达式通常不存在或十分复杂，所以只需要存储有限个点上的 即可，判断 与 所处的矩形网格区域，查找如图4所示网格区域的四个顶点对应的周期系数 的值，用双线性插值法得到当前命令电压矢量所对应的 值。如果控制器的存储资源有限时，也可将开关周期系数 进行曲面拟合，通过在线计算的方法进行求解。

结合图7，本发明提供的基于FPGA的调制器，其包括：

一个寄存器区1，其包括两个脉冲跳变时刻寄存器组：寄存器组1、寄存器组2、一个周期寄存器13。周期寄存器13用来存放调制周期。寄存器组1和寄存器组2的每组有12个寄存器，这24个寄存器中存放每相上臂及下臂脉冲跳变的时刻。每组中都有4个寄存器控制A相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制B相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿；每组中都有4个寄存器控制C相，一个控制上臂脉冲的前沿，一个控制上臂脉冲后沿，一个控制下臂脉冲的前沿，一个控制下臂脉冲后沿。两组寄存器交替使用产生控制脉冲，若上一调制周期使用寄存器组1，则本周期使用寄存器组2，下周期使用寄存器组1。

结合图8，寄存器组1中的寄存器1控制A相上臂的前沿，寄存器2控制A相上臂的后沿，寄存器3控制A相下臂的前沿，寄存器4控制A相下臂的后沿；寄存器5控制B相上臂的前沿，寄存器6控制B相上臂的后沿，寄存器7控制B相下臂的前沿，寄存器8控制B相下臂的后沿；寄存器9控制C相上臂的前沿，寄存器10控制C相上臂的后沿，寄存器11控制C相下臂的前沿，寄存器12控制C相下臂的后沿。

寄存器组2中的寄存器13控制A相上臂的前沿，寄存器14控制A相上臂的后沿，寄存器15控制A相下臂的前沿，寄存器16控制A相下臂的后沿；寄存器17控制B相上臂的前沿，寄存器18控制B相上臂的后沿，寄存器19控制B相下臂的前沿，寄存器20控制B相下臂的后沿；寄存器21控制C相上臂的前沿，寄存器22控制C相上臂的后沿，寄存器23控制C相下臂的前沿，寄存器24控制C相下臂的后沿。

一个计数及初值重装载电路2，其中计数器21有一个输入和两个输出，输入线接计数脉冲并根据脉冲进行减1计数；一个输出线输出当前计数值，接脉冲产生电路4的一个输入线；另一个输出线输出溢出信号，当计数器减至0，再减1溢出时，输出溢出信号脉冲，控制重装载电路22从周期寄存器13重新装载计数初值，开始下一周期的计数。溢出信号脉冲又送入切换电路3的输入引脚CP。计数器21的当前值送脉冲产生电路4。重装载电路22有两个输入和一个输出，一个输入线接计数器21的溢出信号，另一个输入接周期寄存器13，输出线接计数器21。

切换电路3接受来自计数器21的溢出信号，控制寄存器组1和寄存器组2交替地通过切换电路3，并送脉冲产生电路4。

脉冲产生电路4将计数器的当前值与脉冲跳变时刻的设定值进行比较，若相同，则脉冲跳变。脉冲的跳变最终转化为逆变器需要的6路控制信号输出。

上述所涉及的寄存器的位数可以是16位、32位或其他，需要根据调制周期、FPGA的型号等具体进行选择。

本发明提供的调制方法及电路可在市面上众多的FPGA上实现，如Altera、Xilinx、Lattice等公司生产的FPGA。

在基波电压频率为30Hz（即电动机定子电压角频率为60 rad/s）、脉宽调制开关频率为10000Hz，调制比为0.9的条件下实施本发明。图8为现有技术中采用的对称式7段作用方式固定SVPWM方法下逆变器输出的A相电压脉冲在基波周期内采样，进行傅里叶变换得到的幅值谱图；图9为本发明方法及设备下逆变器输出的A相电压脉冲在基波周期内采样，进行傅里叶变换得到的幅值谱图；如图8所示，在开关频率整数倍处集簇谐波的峰值很大；如图9所示，开关周期优化SVPWM方法能够极大减小开关频率整数倍处集簇谐波的峰值。

图10为现有技术中采用的对称式7段作用方式固定SVPWM方法下开关周期随时间变化图；图11为本发明方法及设备下某一时间窗口开始一段时间内开关周期随时间变化图。在图11中虚线方框部分是图5步骤S5中判断条件为否时的情况。如图10和图11所示，从虚线方框部分可以明显看出本发明与现有技术之间的区别，呈现了本发明的创新点之一，本发明可以保证在非稳态情况下充分利用功率开关管的开关频率。本发明提供的开关周期优化SVPWM方法及设备能够降低谐波畸变及集簇谐波峰值，并且能够充分利用功率开关管的开关频率。

本发明的方法及调制器的特点是：

（1）本发明的方法在保证基波电压、每个调制周期内平均开关次数等不变的前提下，能够显著降低普遍采用的SVPWM方法集簇谐波大的峰值，而且能极大降低总的谐波畸变，提高输出电压的品质及调速系统的电磁兼容性；

（2）本发明的方法通过宽度自适应调节的时间窗口来控制平均开关频率，充分利用功率开关管的频率范围，提高了变频系统的性价比；

（3）本发明的调制器中三相控制脉冲的死区时间及产生方式可以独立设置，具有很大的灵活性，方便了死区时间设置及先进死区补偿算法的结合应用。

（4）本发明的调制器可以充分利用FPGA灵活的电路定制特点，将调速系统的其他电路及算法集成在一块FPGA中；利用FPGA的并行执行特性提高了控制软件执行的速度，为更加先进控制算法与调制算法的相互融合，以及其在变频调速系统中的应用提供了保障。

（5）本发明中的开关周期随着命令电压矢量的旋转速度、幅值及相角不断变化，本发明的方法不仅可以适用于确定性SVPWM，还可以适用于随机SVPWM。

本发明的应用，解决了传统SVPWM方法集簇谐波大的峰值问题，而且也大大降低了总的谐波畸变，可以改善系统的电磁兼容性与可靠性，并提高了电能利用的效率。特别有助于解决电动汽车的由于电池容量限制而导致的续航里程问题，并且可应用于风力发电等产业，具有良好的社会和经济效益。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形（例如将7段作用方式固定SVPWM方法变为5段作用方式非连续确定性SVPWM方法等），而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

一种开关周期优化空间矢量脉宽调制方法及调制器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。