課程設(shè)計SPWM波生成方法課件

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書SPWM波生成方法探討1 PWM控制技術(shù)PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。調(diào)制：將一個波形（調(diào)制參考波）信號的有關(guān)信息加到另一個波形上（載波）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路?？梢哉fPWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。2 SPWM控制技術(shù)SPWM就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排

2、列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值

3、則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。 1）等面積法 該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點。 2）硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波

4、的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的控制。 3）軟件生成法 由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。a 自然采樣法 自然采樣法是一種基于面積等效的能量轉(zhuǎn)化形式，其基本原理如下：當正弦調(diào)制波與等幅的三角載

5、波在時間軸上相交時，令正弦調(diào)制波的零點與三角載波的頂點同相位，所得交點為時間意義上的相位角和對應(yīng)的瞬時幅值，交點間的相位區(qū)間段表示以正弦部分為有效輸出的矩形脈沖。按照SPWM控制的基本思想，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。正弦波在不同相位角時其值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不相同。另外當正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖寬度也相應(yīng)變化。要準確生成SPWM波形，就應(yīng)準確地計算出正弦波和三角波的交點。圖1 自然采樣法生成SPWM波形圖中為三角波的周期，為三角波的高，正弦波為，稱為采樣周期，。由圖可知：利用三角形相似關(guān)系，解

6、出a，b。并帶入左式得：其中，為正弦波幅值對三角波幅值之比，稱為調(diào)幅比，。M值越大，則輸出電壓也越高。為正弦波角頻率，改變，則PWM脈沖列基波頻率也隨之改變。、為正弦波與三角波兩個相鄰交點的時刻。脈沖寬度為這是一個超越函數(shù)，其中、不但與載波比（T為正弦波的周期）有關(guān)，而且是調(diào)幅比M的函數(shù)，求解、與M的關(guān)系要花費很多時間。b 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，它的效果接近于自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小的多。規(guī)則采樣法中采用三角波作為載波。在自然采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角波中點（即負峰點）重合。規(guī)則采樣法卻使兩者重合，即使每個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點對稱，這

7、樣就使計算大為簡化。圖2是此方法的示意圖。圖2 規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波形在圖2的三角波負峰時刻對正弦調(diào)制波采樣而得到D點，過D點作一水平直接和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻和B點時刻控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。從圖2中可得到以下關(guān)系式：由此可得在三角波一個周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度。對于三相橋式逆變電路來說，應(yīng)該形成三相SPWM波形。通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波依次相差相位。設(shè)在同一個三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為，間隙寬度分別為，由于在同一時刻，三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故可得：由

8、上述兩式可簡化生成三相SPWM波形時的計算。 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中. 4）低次諧波消去法 低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為，首先確定基波分量的值，再令兩個不同的，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得，及，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。 該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算復(fù)雜的缺點。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。 5）梯形波與三角波比較法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM

9、法，其直流電壓利用率僅為86.6%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)PWM控制。 由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次，7次等低次諧波。 3 生成SPWM波的基本原理由于正弦交流量是典型的模擬量，傳統(tǒng)發(fā)電機難以完成高頻交流電流輸出，而功率半導(dǎo)體器件于模擬狀態(tài)工作時產(chǎn)生的動態(tài)損耗劇增，于是，用開關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖

10、電路的運行過程，從而構(gòu)成了運動控制系統(tǒng)中的功率變換器或電源引擎。典型的單相電壓型全橋逆變電路如圖3所示。圖3 典型的單相電壓型全橋逆變電路它共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂1和橋臂4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通。其輸出電壓的波形和半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。對角聯(lián)動的兩個開關(guān)器件和與之對應(yīng)的另一組對角橋臂同時實施交替的開關(guān)作業(yè)時，建立運行后，流經(jīng)負載的電流波形如圖4所示。圖4單相橋式逆變電路電流波形在交流應(yīng)用場合，多數(shù)負載要求輸入的是正弦波電流。電工學(xué)認為，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分

11、量的集合，或者是非正弦波也可以分解為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。不良波形或失真嚴重的正弦交流量必然產(chǎn)生大量的低次、高次及分數(shù)諧波，豐富的諧波分量與基波疊加的情景使得正負峰值幾乎同時發(fā)生，換向突變時急劇的運動狀態(tài)將對負載造成沖擊并導(dǎo)致負載特性的不穩(wěn)定或漂移，又加重了濾波器件的負擔(dān)，損耗也隨之增大，非但降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，還對周邊設(shè)備造成不良影響。在高頻化和大功率電力變換場合，裝置內(nèi)部急劇的電流變化，不但使器件承受很大電磁應(yīng)力，并向裝置周圍空間輻射有害電磁波污染環(huán)境，這種電磁干擾還會引發(fā)周圍設(shè)備的誤動作及造成電能計量紊亂。抑制諧波和EMI的防御仍為重要課題或技術(shù)指標。 可見，簡單的方波

12、在功率應(yīng)用場合下顯示出了不盡如人意的一面。當然，在不觸及負載特性、能量轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境污染和系統(tǒng)綜合技術(shù)指標以及小功率應(yīng)用場合的前提下，就控制方法而言則顯得容易些。4 SPWM波的產(chǎn)生電路4.1 SPWM波的產(chǎn)生產(chǎn)生SPWM脈沖，采用最多的載波是等腰三角波；因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形，如圖5所示。圖5 SPWM波形的產(chǎn)生4.2 SPWM波產(chǎn)生的電路舉例4.2.1 利用LM311生成SPWM信

13、號1）電路組成及結(jié)構(gòu)原理分析電路主要由正弦波和三角波發(fā)生電路和控制電路組成。電路中所用到的元器件主要有ICL8038，運算放大器LF353，比較器LM311組成。2）正弦信號產(chǎn)生正弦波電壓由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。正弦波的頻率由，和C來決定，為了調(diào)試方便，我們將及都用可調(diào)電阻，和是用來調(diào)整正弦波失真度用的。在實驗中我們測得當f=50Hz時，=9.7k，其中C=0.22F。 圖6 ICL8038用于正弦信號產(chǎn)生3）控制電路分析當電路開始工作，首先由ICL8038產(chǎn)生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可調(diào)電阻來控制，得到的波可以通過LF353運算放大器構(gòu)成的反相電路進行反向，得到方向相

14、反的正弦波，正弦波與三角波信號通過LM311比較芯片產(chǎn)生SPWM脈沖，如圖7。圖7 SPWM波脈沖產(chǎn)生電路4.2.2利用SG3524生成SPWM信號根據(jù)SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個幅值在13.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524-2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。我們設(shè)計的控制電路框圖，如圖8所示。 圖8 控制電路框圖正弦波信號產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波，另一路經(jīng)過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波。與1V基準經(jīng)過加法器后得到，輸入到SG3524-2的腳1，腳2與腳9相連，這和鋸齒波將在SG3524-2內(nèi)部的比較器進行比較

15、產(chǎn)生SPWM波。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。和加到分相電路后就可以得到驅(qū)動信號和，再將和加到MOS管驅(qū)動電路的光耦原邊，就可以實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。 結(jié)束語通過這次課程設(shè)計，我覺得它有助于加強我動手、思考和解決問題的能力。具體而言，這一周的課程設(shè)計的收獲如下。加強了對已學(xué)知識的掌握，做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我了解了SPWM波的生成和基本原理，并且對于其在實際中的應(yīng)用有了更多的認識。通過此次設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)自己可以的將課本上的知識可以應(yīng)用于實際，使得理論與實際相結(jié)合，加深了自己對課本知識的更好理解。此次設(shè)計鍛練了我個人的自主學(xué)習(xí)能力。在實驗中，我們運用到了多款軟件，對于這些軟件，我能夠充分利用圖書館以及計算機網(wǎng)絡(luò)去查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)資料，增加了許多課本以外的知識，也對其的基本操作有了充分的理解，此外這種學(xué)習(xí)能力還包括根據(jù)課題需要選擇參考書籍，查閱手冊、圖表等有關(guān)文獻資料的能力。同時，這次課程設(shè)計業(yè)讓我明白了理論知識的重要性，如果沒有扎實的理論基礎(chǔ)，再