正弦脉宽调制的实时实现

2024-07-28 来源：星星旅游

第16卷第4期1999年12月华　东　交　通　大　学　学　报JournalofEastChinaJiaotongUniversity

Vol.16　No.4　Dec.　1999

　　文章编号:100520523(1999)0420052204

正弦脉宽调制的实时实现

赵　莉

(华东交通大学电气信息工程学院,江西南昌　330013)

摘要:介绍了一种基于SPWM图形的生成和存储技术,设计了SPWM生成程序及谐波分析程序Λ将这种技术用于能源变换系统,实现了无时间滞后的SPWM工作方式,实验验证了这种技术的可行性Λ

关　键　词:脉宽调制;实时控制;能源变换系统中图分类号:TM921146　　　文献标识码:A

0　引　言

　　PWM方式是功率开关器件一种主要的工作方式,正弦波的SPWM技术已广泛地用在交流调速和能源变换系统中Λ交流调速器、变频器工作在SPWM方式下,主要通过调节SPWM波形的周期来改变变流器输出基波的频率,达到调速的目的Λ在能源变换系统中,逆变器也工作在SPWM方式下,而它主要是改变脉冲的宽度来使逆变器的输出保持恒定,而其基波频率基本是固定不变的,2种方式下的SPWM生成技术可表示如图1表示Λ

(a)改变周期T(b)改变幅值A(即改变调制系数M)

图1SPWM生成技术

　　在实时控制系统中,对SPWM的实时性要求很高,但是由于系统复杂,模型复杂,在生成SPWM图形时要花时间,给数字控制和计算机控制都带来了一定的难度,对于自然采样法形成SPWM波形在计算机上无法做到实时实现Λ

　　在能源反馈系统中,由于逆变器和电网联接,为能使逆变器正常工作,控制系统必须具备稳压和锁相功能,即逆变器的输出电压基波应与网压同相,并与网压维持一定的电压关系,这就要求产生的SPWM基波信号的频率随网压频率变化而变化,而且其调制系数随网压波动而变化Λ

　　收稿日期:1998206224;修订日期:1999203226

　　作者简介:赵　莉(1965),女,湖南衡阳人,华东交通大学讲师,工学硕士Λ

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　　如何实现这种系统中的实时控制?若采用SPWM离线计算,将计算好的SPWM图形存储在EPROM中,采用具有锁相功能的计数器和抗干扰措施,并采用模糊控制技术,就可以实现能源反馈系统中逆变器的SPWM实时控制Λ

1　SPWM实现原理

　　能源反馈系统逆变器的主电路结构如图2所示Ζ在该系统中,ud是恒定的Ζ但电网电压ug和频率f都有一定波动,为实现逆变器与电网的联接,电感L是必须的Ζ

图2　逆变器主电路原理图图3　SPWM生成原理图

开始　　在不同的ug下,可以求得调制系数MΖ　　　　M=

ug+(I3Ξ)L)udΖ

由于I3ΞL项很小,M≈ugudΖ

决定M之后,可以用自然采样法求得SPWM波形,生成原理图如图3所示Ζ设半周内载波数为N,则第I个载波的表达函数

　　Y=2N[x-Π(I-1)󰃗N]Π　　(I-1)ΠN≤

x≤IΠN1

M、N赋值i=1j=1

i>N

Ni=i+1j=j+1计算d(i),Β(i)Ε<10

-5　　Y=21-N〔X-Π(I-1)󰃗N〕󰃗Π　　IΠN≤x≤(I+1)ΠN1

　　上述方程基波函数Y=Msinx的解的集合就构成了在调制系数为M时的SPWM波形,求解程序及谐波分析程序的框图如图4所示Ζ

　　若采用在线计算求解,在系统中不能满足实时的要求,必须采取离线计算方式,将设计好的SPWM波形存储在EPROM中,不同M下的波形分页储存,以一片2MbitEPROM芯片为例说明储存的方法Ζ

YN快速富里叶分析

输出结束图4

程序框图

Ε:误差;M:调制系数;N:半周内冲数

　　根据上面的程序,可以计算SPWM波形,若以单相全控桥为例,T1管以SPWM方式运行,

T2管以SPWM方式运行,T3、T4以工频方波运行,且T3、T4为互补Ζ2MbitEPROM共有18条

地址线,若存储64个SPWM波形,则要用6根地址线来选页,12根地址线来读取SPWM波形,

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12根地址线总共能读取的数据为212=4096个,因此首先将一个工频周期分成4096等分,每

一个数据由8位组成,每位的构成如下

bit1SPWM

bit2SPWM

bit31(下半周)0(上半周)

bit401

bit5

bit6

bit7

bit8

××××

则不同的SPWM波形可以得到不同的数据加以存储,所有64页数据都可以用离线方式计算好后,存到EPROM中Ζ

2　频率跟踪及波形读取

　　电网上工频标准为50Hz,但实际的网上频率总是在50Hz上下波动,如果SPWM的频率固定为50Hz,则系统工作若干个周期后,则可能有较大的相位错动,因此必须设计一锁相环

40464096节Ζ电路框图如图5所示Ζ　该电路可以跟随网压同步信号网压频率的变化,并保证每一个周期内产生4

096个读数脉冲,这一读数脉冲送入计数器,用来读取SPWM波形Ζ

锁相环输出图5

锁相环电路框图

除法器3　系统的数字化控制及抗干扰措施

　　网压发生波动,影响调制系数M,进而产生不同的SPWM波形Ζ设网压的波动范围为∃U,最小值为Umin,将∃U分成64等份,则实际网压可近似地表示为

U=Umin+J∃U󰃗64,　J为整数Ζ　　J为该值下所对应的SPWM波形的页吗,也即为EPROM6根选页地址线的值Ζ设计一比较电路即可决

AC～比较器锁相环节计数器给定电流Ig

反馈电流

比较器

计数器EPROM

IGBT逆变器

驱动保护电路

图6数字化控制系统框图

定J值,从而可以选择合适的SPWM波形Ζ在读取SPWM波形时,由于采用同步信号,EPROM输出的信号有干扰,可以采用数据锁存技术加以解决Ζ

　　对如图2所示的用于能源反馈的逆变器系统,可以采用以上方法,实现无CPU的SPWM实时控制,整个数字化的控制系统如图6所示Ζ

4　实验验证

　　在实验室,用上述方法生成了SPWM波形,用一片2Mbit(AM27c020290)EPROM存储了64个波形,用数字芯片实现了上述控制系统,用IGBT模块构成逆变器进行实验,实验波

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形如图7所示Ζ实验验证了该系统能实时跟踪网压及频率的变化,将能源送上电网,系统紧凑、成本低Ζ

　　用Microsim软件对该系统仿真,同样验证了以上的结论Λ　　该系统只要对bit5、bit6进行编码,其他部分无需变化就可用来控制三相桥式逆变器Λ

5　结　论

波形1:电流波形;电流由霍尔传感器转换

波形2:网压波形;经10∶1变压器测试的波形　　对与电网联接的逆变器而言,其

图7　逆变器输出电流与网压波形输出必须满足电网的要求,这些要求

就是电压和频率及谐波干扰都要符合标准Λ

　　由上述方法设计的系统,能精确地跟踪网压的频率,能随网压的波动来调节输出Λ这些都

表现在SPWM波形,通过设计SPWM波形,还可以使谐波因数和畸变因数达到要求Λ这种离线计算、数据存储、实时读取SPWM的方法是经济、可行的Λ

[

参考文献]

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[2]　BostMA.StateoftheArtCarrierPWMTechniques:aCuiticalEvaluation[J]ΛIEEETransIA,1988,

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[3]　GokhaleK.DeadBeatMicorprocessorControlofPWMInverterforSinusoidaloutputWaveformSyn2

85.1985:28～36Λthesis[C]ΛIEEEPESC’

RealTimeRealizationofSinusoidalPWM

ZHAOLi

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,EastChinaJiaotongUniv.,Nanchang330013,China)

Abstract:AnewmethodofgenerationandstorageofSPWMpatternispresented.Acalcula2tionandanalysisprogramisdesigned.TheSPWMrealtimecontroltechnologycanbeusedonapowerconvertersystemThefeasibilityofnewtechnologyverifiedbyexperiments1Keywords:SPWMtechnology;realtimecontrol;powerconvertersystem

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