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新能源汽車驅(qū)動電機控制算法及調(diào)制技術(shù)的發(fā)展

2021-12-23 08:48:31·  來源：驅(qū)動視界  
　
一 新能源汽車驅(qū)動電機控制算法及調(diào)制技術(shù)的發(fā)展1.1電控技術(shù)現(xiàn)狀概述電機驅(qū)動技術(shù)作為電動汽車的“心臟”，在我國“十三五”新能源汽車創(chuàng)新鏈中占據(jù)重要的地位，
一 新能源汽車驅(qū)動電機控制算法及調(diào)制技術(shù)的發(fā)展
1.1電控技術(shù)現(xiàn)狀概述
電機驅(qū)動技術(shù)作為電動汽車的“心臟”，在我國“十三五”新能源汽車創(chuàng)新鏈中占據(jù)重要的地位，主要包括電機驅(qū)動控制器功率密度倍增技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、高可靠性車載電力電子集成系統(tǒng)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化、高效輕量高性價比電機技術(shù)產(chǎn)業(yè)化以及新一代電機驅(qū)動總成等四項任務(wù)。
其中高效輕量高性價比電機和新一代電機驅(qū)動總成的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢在上文已做了介紹，我國車用驅(qū)動電機（直驅(qū)電機）在性能指標、成本控制等方面已與國際一流產(chǎn)品處在同一水平。
電機控制技術(shù)由于起步較晚，與發(fā)達國家仍有較大差距，比如芯片集成設(shè)計、電力電子系統(tǒng)集成能力、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制算法優(yōu)化實現(xiàn)電機驅(qū)動控制器功率密度倍增技術(shù)、高性能的電流控制、轉(zhuǎn)矩脈動抑制、效率優(yōu)化控制以及控制穩(wěn)定性等方面。
如何實現(xiàn)新能源汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的高功率密度、高可靠性、低成本以及寬域運行、高效高性能控制、智能化控制是我國新一代電動汽車電機控制器亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)。
目前主流電機驅(qū)動控制器的功率密度約18kW/L，較高水平可以達到28kW/L，采用雙面水冷模塊的可以達到30kW/L，碳化硅技術(shù)的目標是超過36kW/L，遠期目標是100kW/L。
現(xiàn)有的車用逆變器拓撲大多為傳統(tǒng)的電壓源型兩電平逆變器，如圖1-1所示。
兩電平逆變器結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)制算法簡便、控制技術(shù)成熟且成本低，是當前驅(qū)動電機逆變器的主流拓撲。


圖1-1 兩電平逆變器拓撲
隨著多電平技術(shù)的成熟，以及其在諧波擬制、散熱性能、dv/dt等方面的優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界已將其引入電動汽車領(lǐng)域，主要為二極管鉗位型三電平逆變拓撲（圖1-2）、T型三電平逆變拓撲（（圖1-3）與H橋三電平逆變拓撲（圖1-4）。


圖1-2 二極管鉗位型三電平逆變器拓撲


圖1-3 T-type三電平逆變器拓撲


圖1-4 H橋三電平逆變器拓撲
二極管鉗位型三電平逆變器，相對于兩電平拓撲，所需IGBT數(shù)量增加、需要額外的鉗位二極管。
T型三電平逆變器拓撲是在二極管鉗位型三電平基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其傳導(dǎo)損耗相對較小，在低壓小功率領(lǐng)域，相對于二極管鉗位型三電平來說更具優(yōu)勢。
上述兩種多電平拓撲具有公共的直流母線，而在電動汽車領(lǐng)域使用電池組進行供電，可以獲取多個直流電源，因此H橋三電平拓撲也得到重視。
為獲取與上述兩種拓撲同樣的輸出電壓，Ua設(shè)為0.5Udc，因此每個H橋的IGBT耐壓與二極管鉗位型三電平拓撲相同，即0.5Udc。
與二極管鉗位型三電平拓撲相比，減少了6個鉗位二極管，可降低系統(tǒng)成本。
另外，此種拓撲采用三個獨立的直流電源，有利于在滿足絕緣電壓限制的情況下適當提高電壓等級。
上述變換器結(jié)構(gòu)均為硬開關(guān)變換器，以較高開關(guān)頻率運行時產(chǎn)生不可忽視的開關(guān)損耗和發(fā)熱問題，而較大的dv/dt與di/dt產(chǎn)生的電壓、電流尖峰威脅器件安全運行，并引起嚴重的電磁干擾。
針對此問題，有學(xué)者提出將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，通過在直流側(cè)或交流側(cè)增設(shè)無源器件以實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)切換時電壓或電流過零，理論上實現(xiàn)零開關(guān)損耗，但額外增加的輔助電路提高了系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)可靠性。
研究結(jié)果表明，對于現(xiàn)有的軟開關(guān)拓撲技術(shù)方案，由于輔助器件本身的損耗，軟開關(guān)變換器并未在效率方面體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，而增加的額外輔助器件和復(fù)雜的控制算法使得其在電動汽車中的應(yīng)用還不具有綜合優(yōu)勢。
針對不同的拓撲型式，學(xué)者們提出了各式各樣的控制策略和算法，帶來電機控制技術(shù)的不斷提升。
1.2 控制算法研究動態(tài)
當前永磁同步電機常規(guī)的控制策略主要有三類，即恒壓比控制（V/F）、矢量控制（Field Oriented Control，F(xiàn)OC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）Control，MPC）。
另外，隨著社會與工業(yè)需求的不斷提升，人們對永磁同步電機系統(tǒng)控制性能的要求也越來越高，一些學(xué)者將先進的智能控制算法引入了電機控制領(lǐng)域，與經(jīng)典控制結(jié)合，形成了包括模型參考自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、內(nèi)?？刂啤⒆钥箶_和模型預(yù)測控制等現(xiàn)代控制理論以及諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)以及模糊控制等各類人工智能算法在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。
（1）模型參考自適應(yīng)控制
模型參考自適應(yīng)控制（Model Reference Adaptive System ，MRAS ）是一種基于被控對象數(shù)學(xué)模型的方法，也是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分。
它在外部擾動作用下能自動調(diào)整系統(tǒng)自身的控制參數(shù)，有效降低擾動對被控系統(tǒng)的影響，但該方法的計算量較大。
（2）滑模變結(jié)構(gòu)控制
滑模變結(jié)構(gòu)控制（Sliding Model Control，SMC）是一種不連續(xù)的非線性控制策略，在控制過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)開關(guān)特性變化，一直處于滑動模態(tài)。
滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)勢在于：對系統(tǒng)參數(shù)要求低，動態(tài)響應(yīng)快，對外界擾動和參數(shù)變化的魯棒性強。。
（3）內(nèi)?？刂?/span>
內(nèi)模控制（Internal Model Control，IMC）由20世紀中期的Smith預(yù)估控制器發(fā)展而來，是一種根據(jù)過程數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制器的控制策略，它的優(yōu)點是參數(shù)調(diào)整比較方便，系統(tǒng)復(fù)雜度也比較低。
（4）自抗擾控制
自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是在PID 控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種無需精確系統(tǒng)模型的非線性控制手段，它通過對系統(tǒng)擾動的實時估計和補償，在參數(shù)變化等擾動作用下能獲取較優(yōu)的控制性能。
自抗擾控制的特點是計算簡單、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、抗干擾能力突出。
（5）模型預(yù)測控制
模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）是根據(jù)當前狀態(tài)和預(yù)期控制目標，直接預(yù)測下一控制周期的電壓矢量，與傳統(tǒng)的矢量控制相比，它簡化了電壓矢量的獲取過程，動態(tài)響應(yīng)更快。
又分為無差拍和有限狀態(tài)機MPC控制策略。
（6）智能控制
智能控制（artificial intelligent control system，AICS）是將各種人工智能控制算法與經(jīng)典控制策略及現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的一種新興控制方式，它不完全依賴電機的模型與參數(shù)，只根據(jù)實際效果調(diào)整控制參數(shù)，適合用于模型不確定性大、非線性強的場合。
包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法及遺傳算法等。
除了以上各種前沿控制策略和多電平拓撲結(jié)構(gòu)以外，經(jīng)典控制理論經(jīng)過近幾年軟件和電機工程師們的不懈努力，也得到了不斷完善，呈現(xiàn)出許多精雕細琢般的算法研究和應(yīng)用。
1.2.1 高調(diào)制比
日產(chǎn)的工程師經(jīng)過對Leaf幾代產(chǎn)品的試驗和長期使用數(shù)據(jù)積累，認為磁鋼的運行溫度是確定的，排除了磁鋼冷、熱態(tài)磁性能差異性的影響，因此可忽略反電勢的波動，即可以將母線電壓利用率提高至100%，調(diào)制比達到1。
同時，Leaf工程師在18MY的控制程序中加入了一種基于熱網(wǎng)絡(luò)法的“熱保護策略”，能夠根據(jù)少量的反饋信息推斷出磁鋼真實的溫度，實現(xiàn)電壓利用率的動態(tài)調(diào)整。
一般來說，直流逆變成交流，基于可靠性方面的考慮，調(diào)制比一般小于1，比如13MY的母線電壓利用率最高為80%。
電壓利用率越高，控制環(huán)路飽和時電流的跟隨響應(yīng)越差，失穩(wěn)風(fēng)險越高，甚至失控。
電壓利用率的提高意味著電機在高速區(qū)不需要過大的弱磁電流，轉(zhuǎn)矩角變小，功率提升的同時降低了銅耗，基于這一技術(shù)，18MY的最高效率上升了1.2%。


圖1-5 Nissan Leaf 18MY和13MY電壓利用率


圖1-6 Nissan Leaf 18MY和13MY電機效率
1.2.2 MTPL
通用汽車基于Chevy Spark和Chevy Bolt所用的驅(qū)動電機，認真研究了最大效率控制策略。
我們常用的MTPA算法僅使得定子電阻損耗最低，鐵損并不是最優(yōu)，因而總損耗也并百最優(yōu)。
通用汽車通過認真比較三種不同的電流矢量控制技術(shù)，即最大轉(zhuǎn)矩/電流(MTPA)、最大轉(zhuǎn)矩/電機損耗(MTPML)和最大轉(zhuǎn)矩/系統(tǒng)損耗(MTPSL)，進了行了廣泛的試驗測試，同時在弱磁區(qū)采用六步電壓法（SSA）調(diào)制，實現(xiàn)了驅(qū)動電機系統(tǒng)的最大效率運行。


圖1-7 電流軌跡圖
圖1-8顯示，MTPL和MTPA具有不同的轉(zhuǎn)矩角特性。
如圖1-9，同一電流值下，MTPL和MTPA表現(xiàn)出不同的電氣特性，此電流下MTPA最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角為44deg，MTPL最優(yōu)轉(zhuǎn)矩角47.5deg，MTPL獲得的是最高效率，MTPA獲得的是最大轉(zhuǎn)矩。


圖1-8 某一電流時不同控制策略下的電氣特性
1.2.3 DB-DTFC
DB-DTFC是將無差拍(DB)控制與直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制(DTFC)相結(jié)合發(fā)展起來的一種新型的控制算法。
與電流矢量控制相比，采用電流和磁通觀測器的組合，轉(zhuǎn)矩和磁通都可以直接和獨立地控制。
在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，通過轉(zhuǎn)矩命令可以確定對應(yīng)于MTPA操作的磁通命令。
對于深度弱磁區(qū)域，算法中采用平方根判別法（Square-Root-Condition，SRC），通過使用磁通觀測器提高控制精度。
奧迪公司對此進行了深入研究。


圖1-9 奧迪DB-DTFC控制框圖
如圖1-11，可以發(fā)現(xiàn)DB-DTFC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要快于PI控制器，與此同時，在給定轉(zhuǎn)矩由4Nm變?yōu)?Nm時，定子磁鏈變化明顯。


圖1-10 DB-DTFC&PI轉(zhuǎn)矩和磁鏈響應(yīng)
1.2.4 安全失效檢查及控制
永磁同步電機在使用過程中可能一些潛在的隱患，比如電機的位置傳感器故障、控制器的電流傳感器故障、電機定子繞組開路等。
在永磁同步電動汽車領(lǐng)域中，電機定子繞組開路的情況極少發(fā)生，并且所產(chǎn)生的影響也只是動力缺失而不會造成飛車等失控現(xiàn)象，對駕駛者的安全危害相對前兩者會小一些，所以在此不對其進行研究。
位置傳感器和電流傳感器故障都會造成嚴重的危險。
對位置傳感器故障首先需要進行判定，目前主要有兩種判定策略，一種是基于角度估計模型的實時故障判定策略，通過角度估計模型得到估計角度后再與位置傳感器的實時角度進行對比并獲得誤差值，然后將誤差值和設(shè)定的故障閾值進行比較，并且在位置傳感器正常時對角度信息進行校準，從而得到更準確的估計角度。
另一種是基于無損卡爾曼濾波（簡稱UKF）的故障判定策略，將電機模型離散化，通過對輸入變量和狀態(tài)變量的均值和協(xié)方差進行UKF處理得到輸出變量，輸出變量中包含了電機的三相電流信息和電角度信息，對所得到的數(shù)據(jù)進行處理后即可判斷是否有故障發(fā)生，這種判定策略的優(yōu)勢在于不僅能判斷位置傳感器故障同樣能判斷電流傳感器的故障，通用性更強。


圖1-11 驅(qū)動電機矢量控制框圖


圖1-12 電角度估計流程圖
判定出故障后，通常會針對高低速制定不同的處理策略，高速時采用基于鎖相環(huán)的控制方式估計位置角度，低速時可采用高頻注入的方式。


圖1-13 鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估算流程圖
電流傳感器的故障診斷可以根據(jù)電流殘差進行判斷。


圖1-14 電流故障診斷框圖


圖1-15 電流故障診斷邏輯圖
1.2.5 MTPA高頻注入法
近年來，為了提高最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的魯棒性，學(xué)者們相繼提出可通過注入輔助信號的方法來跟蹤MTPA的工作點。
高頻信號注入法的主要原理是通過向電機的定子繞組中注入高頻小電流信號，依據(jù)在MTPA工作點處電磁轉(zhuǎn)矩對電流角的變化率為零的原理，實時追蹤MTPA工作點，實現(xiàn)MTPA控制。


圖1-16 高頻注入MTPA控制系統(tǒng)框圖
基于信號注入法的MTPA控制、MTPA控制和id=0控制的實驗結(jié)果進行了分析對比，得到三種控制策略在不同負載條件下的轉(zhuǎn)矩-電流關(guān)系曲線圖，如圖1-17所示，圖中橫軸為負載轉(zhuǎn)矩，縱軸為定子電流有效值，紅色曲線為高頻注入法MTPA 控制，藍色曲線為MTPA控制，綠色曲線為id=0控制。
可以看到，在不同的負載條件下，信號注入法MTPA控制的定子電流有效值均小于另外兩種控制，而MTPA控制的定子電流有效值則小id=0控制。
對比實驗結(jié)果驗證了基于高頻注入法的MTPA控制策略的電流利用率高于MTPA控制和id=0控制，最大限度地增強了IPMSM的轉(zhuǎn)矩輸出能力，使得電機的運行效率最大化。


圖1-17 高頻注入MTPA控制系統(tǒng)框圖
1.3 脈寬調(diào)制策略研究現(xiàn)狀及發(fā)展
脈寬調(diào)制策略（Pulse-width Modulation，PWM）是根據(jù)伏秒平衡原理控制開關(guān)管的通、斷以實現(xiàn)近似等效輸出給定基頻電壓的策略，是與逆變器拓撲共生的關(guān)鍵技術(shù)。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PWM技術(shù)從最基本的正弦波PWM（Sinusoidal PWM，SPWM）發(fā)展和衍生出多種不同類型的優(yōu)化PWM，如1-18所示：


圖1-18 二電平逆變器PWM策略分類
載波調(diào)制（Carrier based Modulation, CBM）可按照采用的載波個數(shù)進行分類，即單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。
經(jīng)典的SPWM算法直接將正弦調(diào)制波與載波（鋸齒波或三角載波）進行比較來控制開關(guān)管的動作，具有實現(xiàn)簡便，計算量小的優(yōu)勢。
當前應(yīng)用最為廣泛的空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector PWM, SVPWM）從電機磁鏈圓的角度出發(fā)，可以看作是由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成，通過分解參考矢量以計算主、次電壓矢量的作用時間，其優(yōu)勢在于輸出諧波畸變率小、直流電壓利用率相對于SPWM提高15%。
三次諧波注入PWM，是指在三相正弦調(diào)制波上注入特定幅值的三次諧波來改進PWM的性能，如1/6三次諧波注入PWM 能夠最大化直流母線電壓利用率，1/4三次諧波注入PWM能夠優(yōu)化輸出波形質(zhì)量，最小化電流紋波損耗。
上述三種PWM，開關(guān)序列均為“七段式”，在每個載波周期內(nèi)，三相開關(guān)狀態(tài)均發(fā)生切換，并且調(diào)制波為連續(xù)波形，因而被定義為連續(xù)PWM。
為了降低開關(guān)損耗，不連續(xù)PWM（Discontinuous PWM，DPWM）采用“五段式”開關(guān)序列，特定相輸出電壓在若干連續(xù)載波周期內(nèi)鉗位于直流母線使得此相開關(guān)管不動作。
從電壓空間矢量角度而言，DPWM相當于只采用了1 個零電壓矢量，根據(jù)不同位置所選用的零電壓矢量，DPWM可分為DPWMMAX、DPWMMIN、DPWM0、DPWM1與DPWM2。
但是相對于連續(xù)PWM，DPWM不具有諧波邊帶消除的現(xiàn)象，使得加權(quán)諧波總畸變率增加。
針對此問題，有學(xué)者提出了一種先進母線鉗位脈寬調(diào)制策略來改善DPWM的輸出諧波性能，但該方法只在較高調(diào)制度時有效。
研究表明單載波PWM算法均可以通過向三相正弦調(diào)制波中注入特定的零序分量來實現(xiàn)，從而將單載波PWM算法進行了統(tǒng)一化。
多載波調(diào)制算法即采用多個載波與調(diào)制波比較，獲取三相觸發(fā)脈沖，對于兩電平逆變器，目前只局限于載波層疊PWM和載波移相PWM。
上述載波調(diào)制算法都采用“固定的載波頻率”，約束了PWM算法的性能改進空間。
程控PWM 解除了這個約束條件，單個脈寬不在局限于一個時鐘脈沖窗口內(nèi)，其幅值和位置能夠在一個更寬的時間間隔上發(fā)生變化。
離線程控PWM的特征在于采用目標函數(shù)的最小化來確定開關(guān)時刻，優(yōu)化計算過程采用離線計算獲取一系列的開關(guān)角度并存儲在PWM控制器的內(nèi)存或EPROM中，通過查表法實現(xiàn)對開關(guān)管的控制。
SHEPWM作為一種典型的程控PWM，其優(yōu)化目標是消去指定次諧波，但無法控制非指定次諧波的含量，為此有學(xué)者提出了一種指定諧波減弱PWM（SHMPWM）。
SHMPWM將指定次諧波的含量限定在特定的諧波標準以內(nèi)，從而能夠兼顧更多的諧波成份，有利于提高整體諧波性能。
同步優(yōu)化脈寬調(diào)制能夠以較小的開關(guān)頻率實現(xiàn)輸出諧波的改進，適應(yīng)于大功率場合。
上述三種算法均需要求解超越非線性方程組，計算量隨著開關(guān)角度的增加指數(shù)級增大，計算資源的固定開銷使得其在線實施極其困難。
由于優(yōu)化目標往往基于穩(wěn)態(tài)進行設(shè)計，其動態(tài)特性的改善是目前研究的瓶頸。
SHCPWM可實現(xiàn)開關(guān)角度的在線計算，但仍需要較大的計算量。
混合PWM（Hybrid PWM）是指兩種或多種PWM的混合，目的在于充分利用不同PWM算法的優(yōu)點。
比如在低調(diào)制度使用SVPWM而在高調(diào)制度使用SHEPWM的混合算法，或者在低調(diào)制度使用SVPWM，而在高調(diào)制度使用DPWM1的混合算法。
混合PWM的關(guān)鍵在于設(shè)計合理的PWM切換準則，這樣才能夠充分利用不同PWM算法的優(yōu)點。
為改善PWM性能，一些新的概念被應(yīng)用于PWM算法，包括隨機PWM、小波調(diào)制與智能調(diào)制等。
隨機PWM為解決逆變器的噪聲和電磁兼容問題提供了一個有效的思路，通過將脈沖位置或（與）開關(guān)周期隨機化處理，以獲得不同的功率譜密度。
小波調(diào)制由通信領(lǐng)域中衍生而來，能夠顯著降低輸出電壓總諧波畸變率、擴寬線性調(diào)制范圍并降低開關(guān)損耗。
利用小波調(diào)制的多速率特性，采用聯(lián)合估計的方法，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
目前，小波調(diào)制已成功應(yīng)用于感應(yīng)電機與永磁電機調(diào)速領(lǐng)域。
智能調(diào)制是指將智能算法應(yīng)用于PWM以改善逆變器性能，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與免疫算法被應(yīng)用于開關(guān)管的動作時刻計算，有利于減小功率開關(guān)器件非線性對輸出性能的影響，優(yōu)化輸出波形質(zhì)量，但智能算法開銷較大，目前在線應(yīng)用還存在難度。
除了以上概述的調(diào)制方法外，還有其它一些值得關(guān)注的并有實際應(yīng)用價值的調(diào)制算法。
2.3.1 線電壓調(diào)制技術(shù)
在傳統(tǒng)的電機控制中，電壓調(diào)制策略一般采用SPWM和SVPWM策略。
對于SPWM調(diào)制策略來說，控制算法較為筒單，計算量小，但是直流母線電壓利用率較低。
相較于SPWM，SVPWM提高了直流母線電壓利用率，使得逆變器輸出的最大線電壓可以迗到直流母線電壓。
在空間電壓矢量調(diào)制過程中，需要對電壓矢量的扇區(qū)進行判斷，然后再根據(jù)七段式逼近法確定各個電壓矢量的作用時間，從而確定各個橋臂上下開關(guān)管的開關(guān)切換時間。
相對而言，SVPWM的計算量會較大，從而較多的占用了DSP的資源，故為了減小DSP的計算量，加快DSP的運行速度，可以引入線電壓調(diào)制法。
線電壓調(diào)制的基本思想是確定一個基礎(chǔ)相占空比δB，其余兩相根據(jù)三相調(diào)制比不變原理求出，大大簡化了求解過程，適用于DSP資源緊張的情況下。


圖1-19 線電壓調(diào)制原理


圖1-20 基于線電壓調(diào)制的電機控制框圖


圖1-21 線電壓調(diào)制與SVPWM兩種算法耗時比較
1.3.2 六步電壓法（SSA）調(diào)制
采用六步法調(diào)制時，在每個電周期中逆變器開關(guān)僅動作6次，輸出的電壓空間矢量僅有6個非零電壓矢量。
如圖1-22所示，為了產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，參考電壓矢量應(yīng)在一個電周期內(nèi)按逆時針旋轉(zhuǎn)，逆變器輸出的電壓矢量依次為U4→U6→U2→U3→U1→U5→U4。


圖1-22 六步電壓法空間矢量圖
六步電壓法調(diào)制下的線電壓可表示為如下形式：


由上式可知，此時相電壓與線電壓有的相差30°電角度，且其峰值為，則其理論上是SVPWM相電壓的1.1倍，即可以將速度擴大1.1倍。
1.3.3 三電平SVPWM調(diào)制
多電平逆變器與高開關(guān)頻率的兩電平逆變器相比，電磁干擾較小，損耗也小，三電平逆變器可能成為電動汽車應(yīng)用的替代品。
目前研究較多的調(diào)制方法是SVPWM和載波PWM。
通用汽車公司對三電平逆變器已潛心研究了多年，首先開展了SVPWM和三次諧波注入的PWM調(diào)制方法的比較，結(jié)果顯示SVPWM在逆變器損耗和轉(zhuǎn)矩脈動方面均優(yōu)于載波PWM，隨后又進一步研究了SVPWM和載波PWM的混合調(diào)制，大大降低了計算的復(fù)雜度。


圖1-23 SVPWM和THPWM的
三電平逆變器功率管有27個狀態(tài)，對應(yīng)27個空間矢量，構(gòu)成了一個正六邊形，將正六邊形分成6個60deg大扇區(qū)，每個大扇區(qū)又可分為四個小扇區(qū)，組成不同的狀態(tài)來進行波形的調(diào)制。


圖1-24 三電平聞逆變器拓撲和3LSVPWM空間矢量圖
1.3.4 PAM脈沖調(diào)制
隨著新能源汽車驅(qū)動電機的不斷高速化，最高運行頻率已超過了1000 Hz，當電機運行至高速段時開關(guān)損耗增大，電驅(qū)系統(tǒng)效率下降，此時可切換為PAM脈沖調(diào)制方式減少開關(guān)頻次。
豐田公司對此做了充分的研究，隨著電機運行頻率的不斷上升，逆變器的損耗占總損耗的比例越來越大，此時PAM調(diào)制方法優(yōu)勢就會顯得非常明顯。


圖1-25 PAM和PWM電驅(qū)系統(tǒng)損耗對比


圖1-26 基于PAM調(diào)制的控制框圖
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