一種基于DSP的新型單相PWM算法研究

1、一種基于dsp的新型單相pwm算法研究脈寬調(diào)制(pulse-width modulation，)技術(shù)在領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。pwm模式是打算輸出特性的根本。性能優(yōu)越的pwm模式可以使逆變器具有良好的輸出特性。由傅里葉分析可知，不對(duì)稱波形會(huì)帶來大量低次諧波、偶次諧波以及余弦項(xiàng)。因此pwm脈沖波形的對(duì)稱性對(duì)輸出特性有很大影響。pwm的實(shí)現(xiàn)辦法普通有兩種：比較法和計(jì)算法。隨著數(shù)字技術(shù)的快速進(jìn)展和計(jì)算機(jī)功能的提高，計(jì)算法以其便利靈便的特點(diǎn)成為pwm實(shí)現(xiàn)辦法的主流。采納計(jì)算法實(shí)現(xiàn)pwm時(shí)，根據(jù)每個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的取法，可以分為規(guī)章采樣pwm和自然采樣pwm。其中，采納規(guī)章采樣法，計(jì)算容易，占用系統(tǒng)軟件資

2、源較少，因而應(yīng)用比較廣泛；但是由規(guī)章采樣法計(jì)算出的pwm波形，在系統(tǒng)載波頻率較低時(shí)，輸出精度差，并且在計(jì)算時(shí)需要通過查表確定計(jì)算結(jié)果，所以并不能保證其波形的對(duì)稱性，諧波含量也會(huì)由于波形的不對(duì)稱而增強(qiáng)。對(duì)于調(diào)制類pwm，有三種方式：同步調(diào)制，異步調(diào)制，分段同步調(diào)制三種方式。同步調(diào)制雖然可以在調(diào)制波頻率變幻的全部范圍內(nèi)，載波與調(diào)制波的相位相同， pwm波形向來保持對(duì)稱，輸出諧波的低次諧波可以得到消退。但是在載波頻率變幻范圍大時(shí)，電力器件的開關(guān)頻率變幻范圍大，在低頻時(shí)，將給系統(tǒng)引入大量較低頻率的諧波。異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)在于載波頻率在調(diào)速過程中載波不變，高次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響基本固定，可以彌補(bǔ)同步調(diào)制的缺點(diǎn)

3、。但是異步調(diào)制無法在大部分頻率點(diǎn)上都保證調(diào)制波與載波相位相對(duì)的固定，浮現(xiàn)不對(duì)稱波形，會(huì)給系統(tǒng)引入大量的低次諧波、偶次諧波和余弦項(xiàng)。分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，但在波比切換時(shí)可能浮現(xiàn)電壓突變，甚至震蕩?；谝陨侠碚?，本文提出一種新的pwm算法，可以在異步調(diào)制下，使pwm波形在t2周期內(nèi)始終保持關(guān)于t4 周期的徹低對(duì)稱。1 pwm算法原理在用數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生pwm脈沖時(shí)，三角載波事實(shí)上是不存在的，徹低由軟件及硬件定時(shí)器代替，圖1為三角載波的產(chǎn)生原理(ttimer為定時(shí)器的值)。 pwm脈沖的產(chǎn)生機(jī)理為：定時(shí)器重復(fù)根據(jù)pwm周期舉行計(jì)數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，比較寄存器中的值與定時(shí)

4、器計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)， pwm輸出就會(huì)跳變；當(dāng)兩個(gè)值產(chǎn)生二次匹配或者一個(gè)定時(shí)器的周期結(jié)束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生其次次輸出跳變。通過這種方式就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號(hào)。在比較單元中重復(fù)完成計(jì)數(shù)、匹配輸出的過程，產(chǎn)生pwm信號(hào)，2所示?；跀?shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生pwm脈沖的這種特點(diǎn)，利用本文提出的算法，可以實(shí)現(xiàn)在任何頻率下產(chǎn)生徹低對(duì)稱的pwm波形。其原理為：按照三角載波頻率及 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率確定定時(shí)器周期，利用數(shù)學(xué)計(jì)算辦法，將形成載波的定時(shí)器周期等分，均分后所得到的數(shù)作為脈寬增量單元，隨時(shí)光遞增。脈寬以脈寬增量為單元成比例地增強(qiáng)或削減。三角載波由軟件及硬件定時(shí)器形成，三角載波的頻

5、率由時(shí)鐘頻率及定時(shí)器的周期值打算。按照需要可以選取一個(gè)定時(shí)器周期t1，以確定調(diào)頻過程中的固定載波頻率。因?yàn)檩d波頻率不變，故囫圇調(diào)頻過程的載波比是變動(dòng)的，可先設(shè)定在一個(gè)固定的輸出波頻率f1下的載波比為n1，對(duì)所需的輸出頻率f(對(duì)應(yīng)的周期為t)舉行處理，如式(1)所示，x為f處理后的值。圖3所示為均分載波的原理圖，將定時(shí)器的周期舉行等分為n1(4x)份，則每份的寬度叫可由式(2)確定：f1/1=fx (1)=4t1x/n1 (2)式中：為脈寬增量的最小單元。在確定了脈寬增量的最小單元值之后，以為增量單元，隨時(shí)光遞增，依次增大或減小占空比的值。占空比的增大過程為：第一個(gè)裝載占空比為，其次個(gè)裝載占空比

6、為2，第三個(gè)裝載占空比為3，第y個(gè)裝載占空比的值為y，占空比的值以此邏輯依次增強(qiáng)。式(3)為脈寬遞增時(shí)占空比值dc更新邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)式。式中k的值是為滿足沖量定理所需的系數(shù)，將在后面做具體的計(jì)算和論述。當(dāng)輸出脈沖達(dá)到最大寬度max(dc)時(shí)，a計(jì)數(shù)值也達(dá)到最大值max(a)，已完成t4周期的脈沖輸出。此時(shí)，占空比從最大寬度依次減小，減小的邏輯為y，(y-1)，直至0式(4)為脈寬遞減時(shí)占空比值dc'更新邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中，dc'的初始值為max(dc)，a'的初始值為max (a)。由以上原理可以看出，pwm波形在t2內(nèi)關(guān)于t4徹低對(duì)稱，圖4所示為占空比更新的原理圖

7、。由上述分析，載波頻率在囫圇過程中是固定值，所以具備了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，脈寬是徹低由形成載波的時(shí)鐘數(shù)量、期望輸出波的頻率因素打算，而不是由查表得到，可以克服異步調(diào)制時(shí)大多數(shù)狀況下載波與調(diào)制波相位不同步的缺點(diǎn)。此種算法綜合了同步和異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，避開了采納分段同步調(diào)制時(shí)需要考慮調(diào)頻的問題。pwm的基本依據(jù)是面積相等原理，即沖量(面積)相等不同外形的窄脈沖加到慣性環(huán)節(jié)上，其作用效果基本相同。在保證波形對(duì)稱的基礎(chǔ)上，研究該算法對(duì)沖量相等原則的實(shí)現(xiàn)。以正弦調(diào)制為例，當(dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí)，按照面積相等原則，其正弦半波積分的面積等于脈沖相加之和，如式(5)所示。按照占空比更新原理可以確定沖量面積，如式(

8、6)所示。當(dāng)調(diào)制深度m=1時(shí)，可得到系數(shù)k的值，如式(7)所示：按照以上公式，可精確計(jì)算輸出波形面積，k值的選取可打算輸出電壓的幅值。2 試驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證提出的pwm算法的正確性和可行性，利用ti公司的tms320f2812舉行試驗(yàn)；系統(tǒng)采納30 mhz外部晶振，通用定時(shí)器時(shí)鐘的頻率由系統(tǒng)5倍頻后，再6分頻得到，為25 mhz。該試驗(yàn)采納的載波頻率為fz=1 khz，定時(shí)器周期值t1=12 500。輸出頻率f1=50 hz時(shí)，載波比n1=20。挑選在定時(shí)器達(dá)到周期值時(shí)裝載更新占空比的值，相當(dāng)于在三角載波的波峰時(shí)裝載。試驗(yàn)結(jié)果見圖5(upwm為pwm脈沖幅值)：圖5(a)為單極性調(diào)制時(shí)采納該算法得到的輸出波形，它是50 hz正弦波調(diào)制時(shí)正半周期的輸出波形；圖5(b)是43 hz正弦波調(diào)制時(shí)正半周期的輸出波形；圖5(c)是50 hz單極性調(diào)制時(shí)，正弦波pwm脈沖波形的能譜分析圖；圖5(d)是43 hz單極性調(diào)制時(shí)正