基于pwm正弦波電源的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 保護電路、輔助電源、輸入電路、輸出電路等。 下面對各個部分做一些簡單介紹 : (1)輸入電路 逆變主電路輸入為直流電，若是直流電網 (如煤礦，礦山，電車等 )、蓄電池貯存的電，或者是直流發電機發出的電，或者直流電動機和變頻調速交流電動機制動時再生直流電，則輸入電路包括濾波電路和 EMI 對策電路。若是交流電網，除了濾波和 EMI 對策電路外，首先還要有整流電路。 (2)輸出電路 輸出電路一般都包括輸出濾波電路和 EMI對策電路，對直流輸出的逆變系 統還包括輸出整流電路。對隔離式逆變器，在輸出電路的前面還有逆變變壓器。對于開環控制的逆變系統，輸出量不用反饋到控制電路，而對于閉環控制逆變系統，輸出量還要反饋到控制電路。 (3)控制電路 控制電路的功能是按要求產生和調節一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的一導通和關斷，從而配合逆變電路完成逆變功能。在逆變系統中，控制電路和逆變主電路同樣重要。 (4)輔助電源和保護電路 輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的 直流電壓。若是直流輸入，則是一個或幾個 DC/DC 變換器 :若是交流輸入，則可以采用工頻降壓、整流、線性穩壓的方式，當然也可以采用 DC/DC 變換器。 (5)逆變主電路 黃石理工學院畢業設計（論文） 8 逆變主電路就是由逆變開關器件等組成的變換電路，分為非隔離式和隔離式兩大類。如變頻器、能量回饋等都是非隔離的，逆變焊接電源、通信基礎開關電源、UPS、加熱電源等都是隔離式逆變電路。隔離式逆變主電路還應包括逆變變壓器。非隔離式電壓變換電路形式有多種，是組成逆變主電路的基本形式，用它們也可以組成各種隔離式逆變主電路。 PWM 信號的產生方式 按照 SPWM控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷。如果采用自然采樣法，會增加硬件的復雜度，但因該系統是以 FPGA為控制核心，可方便地實現。把正弦波波形表存人存儲器中，同時利用加法器和減法器生成三角形載波，再通過數字比較器產生所需要的波形。 該方案具有可靠性高，可重復編程，響應快，精度高等特點 。 SPWM 控制技術及其原理 SPWM 控制的基本原理 SPWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代 替正弦波或者其他所需要的波形。 從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個周期內的脈沖數后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來。然后按照計算的結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實際應用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數值的矩形脈沖，這種方法稱為調制方法。希望輸出的信號為調制信號，把接受調制的三角波稱為載波。當調制信號是正弦波時，所得 到的便是 SPWM 波形。當調制信號不是正弦波時，也能得到與調制信號等效的 PWM波形。 全橋逆變器的控制方式 全橋逆變器的控制脈沖按 SPWM 調制方式，有單極性、雙極性和單極性倍頻調制三種 。 黃石理工學院畢業設計（論文） 9 (1)雙極性 SPWM 調制 全橋逆變器采用雙極性 PWM 控制方式時 ,載波為全波三角波。用正弦波與三角波進行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分，輸出負脈沖。在開關切換時，負載端電壓極性非正即負，電流變化率較大，對外部干擾較強。負載端電壓脈沖列是由不同寬度調制的正負直流電壓組成。 (2)單極性 SPWM 調制 采用單極性控制時，在正弦波的半個周期內，其電壓輸出幅值為單極性，在開關狀態切換時，負載端電壓先變為零，負載電流在零電壓下自然續流衰減， 在控制時間到時再恢復輸出直流電壓，其半周期的脈沖列是由零和正 (負 )直流電壓組成。該控制方式的特點是功率開關管承受的電壓應力較小，電流變化率小，功耗也要小，因此對系統及外部設備干擾小。 (3)單極性倍頻 SPWM 調制 UiS1S2 S3S4Cf ZLfTUcUAB 圖 21 正弦波單相全橋逆變電路 在圖 21 所示電壓型全橋逆變電路中， Ql, Q2, Q3, Q4 循環導通一次的控 制脈沖。 單極性倍頻 SPWM調制原理分析如下 : 兩路脈沖占空比為 : ? ?1 1 sin2pDM ??正 = （ 21） ? ?1 1 sin2nDM ??正 = （ 22） 對 P 路調制波 :當調制波電壓高于載波電壓時控制左橋臂上管導通，下管關黃石理工學院畢業設計（論文） 10 閉，反之相反 .同樣，對 N 路調制波 :當調 制波電壓高于載波電壓時控制右橋臂上管導通，下管關閉。若以 “ 1”來表示開關管導通， 0”表示關斷，則 : 1 2 3 4 a b100 1 S P W M UQ Q Q Q ?? 輸 出 波 正 半 波 1 2 3 4 a b011 0 S P W M UQ Q Q Q ?? 輸 出 波 負 半 波 根據三角形的相似性，根據規則采樣法的特點，對于 P路正脈沖，在時間上， BC=Tc/2,MN=旦 Tc 為采樣周期，即三角載波的周期， d 是輸出脈沖寬度， D 是輸出脈寬相對采樣周期的占空比。由 ? ? ? ?ccrT U U si n 222 cU? ?? ? ? ? （ 23） 得到脈寬 1 s in2c rcT UU????? ? ????? （ 24） 占空比 D為 ? ?1 1 s in2cDMT? ?? ? ? ? （ 25） M=Ur/Uc，代表調制度。 以上是 0r內 P路正脈沖的占空比，同樣可得 0n 內 N路正脈沖的脈寬為 (1 sin )2c rcT UU??? ? ? （ 26） 于是占空比 D為 ? ?1 1 s in2cDMT? ?? ? ? ? （ 27） 在每個調制波周期 , P 正脈沖總對應于 N 正脈沖，而在前半周內， P 前正的脈沖寬度恒大于 N前正的脈沖寬度。于是 P前正脈沖跟與之相對應 N前正脈沖首尾的N 前負脈沖相差而得到有效 SPWM 波 Uab 正半波的兩 個脈沖，并且此相鄰二脈沖寬度相等 (規則采樣的特點 :每個脈沖在載波周期中點處兩端等寬 )。 同理，容易得到輸出有效 SPWM 波 Uab 負半波為 P 后負 N 后正在一個調制波周期內， P 路調制波前半周 (也即 N 路調制波前半周， P、 N 正負兩路正弦調制波嚴格反相 )時間段內，兩路正脈沖的占空比分別為 : 黃石理工學院畢業設計（論文） 11 ? ?1 1 M sin2PD ???正 （ 28） ? ?1 1 M sin2D ???N正 （ 29） 且： ? ?1 1 M s in M s in2o ffD D D ??? ? ? ? ?P 正 N 正 （ 210） 稱 offD 為有效占空比 (即同一個載波周期內兩個等寬的有效脈沖的占空比之和 )。由上式可知，雙重 SPWM 調制方式所得到的正弦脈沖與普通 SPWM 方式得到的正弦脈沖在效能上完全一樣。 SPWM 控制脈沖的實現方法 以 SPWM為控制方式構成 的逆變器，其輸入為恒定不變的直流電壓，通過 SPWM技術在逆變電路中同時實現調壓和調頻。因此，該控制方案可簡化主回路和控制回路結構、提高系統響應速度。很適合蓄電池或太陽能電池等直流電源供電的高頻鏈逆變器的控制。因此，綜合考慮之后，本文所設計的數字化控制 DCAC正弦波電源可采用 SPWM 控制策略。生成 SPWM 控制波形的方法主要有兩類 :一是采用模擬電路，二是采用微處理器由程序生成。 (1)利用模擬電路生成 SPWM 脈沖 首先由模擬元件構成的三角波和正弦波產生電路分別產生三角載波信號 tU 和正弦波參考信號 rU ，然后送入電壓比較器，從而產生 SPWM 序列，這種利用模擬電路調制方式的優點是完成 tU 與 rU 信號的比較和確定脈沖所用的時間短， 幾乎是瞬間完成的。而且 tU 與 rU 的交點精確，是兩列比較波的自然交點，未做過任何近似處理，然而，這種 方法的缺點是所需硬件較多，且難以實現三角波與正弦波的同步，而且模擬元件尤其是運算放大器存在溫度漂移等不穩定因素，使得系統調試麻煩，并且不易穩定。 (2)利用軟件編程方法生成 SPWM 控制脈沖 在逆變器控制方法設計中，利用軟件編程實現 SPWM 波的算法很多，通常使用較多的有自然采樣法、規則采樣法、低次諧波消去法等。 ①自然采樣法 該方法與采用模擬電路由硬件自然確定 SPWM 脈沖寬度的方法類似，只是這里是采用計算的方法尋找三角載波與正弦參考波的交點時刻，從而確定 SPWM 脈沖寬度。只要通過對 tU 與 rU 的數學表達式聯立求解，找出其交點對應的時刻 0t , 1t ... 黃石理工學院畢業設計（論文） 12 6t 便可以確定相應 SPWM 波的脈沖寬度。雖然微處理器具有復雜運算功能，但進行計算需要一定的時間，而 SPWM 逆變器的輸出需采用實時控制，其運算速度還滿足不了聯立求解方程的需要。實際采用的方法是先將參考正弦波的四分之一周期 內各時刻的 tU 和 rU 值算好，以表格形式存儲于存儲器內，當控制需要計算某時刻的 tU和 rU 時，不用實時計算而采用查表的方法很快得到。由于波形的對稱性，只需要知道參考正弦波四分之一周期的 tU 和 rU 值即可，在一個周期內其 它時刻的值可由對稱關系求得。 tU 和 rU 波形的交點求法可采用數值逼近法，規定一個允許誤差 ? ，通過修改 it值，當滿足 ? ? ? ?t i r iU t U t ???時，則認為找到了 tU 和 rU 波形的交點。根據求得的 0t , 1t , 2t ?便可確定 SPWM 的脈沖寬度。 采用自然采樣法，雖然可以準確的確定 tU 和 rU 的交點，但是計算工作量很大，為了簡化計算工作量，便于在工程上使用，經常采用規則采樣法。該方法的效果接近自然采樣法，但是卻大大簡化了計算工作量。 ②規則采樣法 采用三 角波作為載波的規則采樣法示意圖如圖 22： MU tAA ’B ’Bt 2 39。t 2t 1t 3T tU r 圖 22 規則采樣示意圖 按自然采樣法求得的 tU 和 rU 的交點為 A’和 B39。，每個脈沖的中點并不和三角波中點重合，對應的 SPWM 脈寬為 2t 39。，為了簡化計算，采用近似的方法求 tU 和 rU 的黃石理工學院畢業設計（論文） 13 交點。 規則采樣法使脈沖中點和三角波中點重合，通過兩個三角波峰之間中線與 rU 的交點 M做水平線與三角波分別交于 A 和 B點，由交點 A 和 B確定的 SPWM 脈寬為 2t , 2t 和 2t ’ 的數值相近，兩個脈沖之間相差了一個很小的△ t 時間。規則采樣法就是利用 tU 和 rU 的近似交點 A和 B代替實際的交點 A39。和 B39。，用以確定 SPWM 脈沖信號。這種方法雖然有一定的誤差，但此誤差工程實踐證明是可以忽略的。因此， SPWM控制脈沖的實現算法就變為求解簡單的三角方程，大大減小了計算量 。 設三角波和正弦波的幅值分別是 tmU 和 rmU ，周期分別是 tT 和 st ，脈寬 2t 和間隙時間 it 和 3t 由下式計算 : ? ? ? ?? ?2 2 1 sin 2tst T T t??? ? ? ? ? (211) rm tmUU?? (212) ? ? ? ? ? ?? ?1 3 2 2 4 1 sin 2t t st t T t T T t??? ? ? ? ? ? ? ? (213) 由公式 211 和 212，可以很容易求得 1t 和 2t 值，從而確定相應的脈沖寬度。 上面對 PWM控制技術的原理進行了分