單極性倍頻spwm調(diào)制技術(shù)研究

單極性倍頻spwm調(diào)制技術(shù)研究

spwm正交脈寬調(diào)制技術(shù)（spwm）具有低輸出波形和高輸出波形的適應(yīng)性，在逆變動區(qū)廣泛應(yīng)用。spwm溫度控制分為兩種類型：單極性控制和雙極性控制。在單極性雙重振動器的控制模式中，分析輸出波形，最低學(xué)費為2n-1。在spwm雙極性調(diào)幅之后，輸出波形的最小波形數(shù)為2n-2次。在相同條件下，單腔random動態(tài)采集技術(shù)的波形抑制能力非常強(qiáng)。同時，在單極性random動態(tài)采集技術(shù)下，輸出波形的頻率是單極性頻率無重疊控制模式下輸出波形的兩倍，但由于開關(guān)管的頻率沒有改變，因此開關(guān)管的損失沒有增加?；谶@些優(yōu)點，本文根據(jù)單極性random制備技術(shù)原理，提出了四種算法：matlb對算法中的開關(guān)點數(shù)據(jù)進(jìn)行了分解，并對輸出波形進(jìn)行了噪波分析，并比較了不同算法的優(yōu)缺點。最初人們用模擬電路構(gòu)成三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器、比較器,產(chǎn)生SPWM波形.隨著微處理器的發(fā)展,人們逐漸用單片機(jī),高速數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)數(shù)字化SPWM技術(shù).數(shù)字化SPWM技術(shù)因其需要的硬件資源少,實現(xiàn)簡單,精度高等優(yōu)點,得到了廣泛的應(yīng)用.由于DSP兼具控制算法的運算速度和精度的優(yōu)勢,因而在數(shù)字化SPWM技術(shù)中備受青睞.TI公司推出的TMS320F2812是32定點DSP,具有EVA,EVB兩個事件管理器,能產(chǎn)生高達(dá)16路的PWM信號.每個事件管理器又具有兩個通用定時器和三個全比較單元,每個比較單元分別能產(chǎn)生兩路可編程帶死區(qū)的互補(bǔ)對稱PWM波形,特別適合控制同一橋臂上兩個開關(guān)管的通斷信號.利用定時計數(shù)器模擬三角波,依據(jù)SPWM控制規(guī)律實時改變比較寄存器的值,改變功率開關(guān)管開通和關(guān)斷的時刻點,可以輸出SPWM波形.本文針對研究的SPWM算法,計算出比較寄存器的值,并在DSP上予以實現(xiàn).1數(shù)字倍頻spwm工作原理當(dāng)正弦調(diào)制波幅值大于三角載波幅值,即vr>vc時,橋壁上T1管導(dǎo)通,vr>-vc時T4管導(dǎo)通,負(fù)載上輸出電壓令為正方向.反之,vr<vc時T2管導(dǎo)通,vr<-vc時T3管導(dǎo)通,負(fù)載上輸出電壓令為負(fù)方向.此為單極性倍頻SPWM調(diào)制原理(圖2).圖2中,a點為T1開始導(dǎo)通的時刻,b點為T1關(guān)斷時刻,c點為T4關(guān)斷時刻,d點為T4點導(dǎo)通時刻.常見的數(shù)字化SPWM算法有:自然采樣法,對稱規(guī)則采樣法(負(fù)峰處采樣),不對稱規(guī)則采樣法(正峰處采樣),不規(guī)則采樣法.根據(jù)單極性倍頻SPWM控制原理,在不同的采樣方法下,推導(dǎo)出相應(yīng)的開關(guān)點計算公式.定義計算中用到的一些參數(shù)如下:a為調(diào)制比;ω為調(diào)制波角頻率;N為調(diào)制比,即載波頻率和調(diào)制波頻率之比;k為開關(guān)管第k個開關(guān)信號;VD為逆變器直流側(cè)電壓;t1on(k)為開關(guān)管T1開通時刻;t1off(k)t1off(k)為開關(guān)管T1關(guān)斷時刻;t4on(k)為開關(guān)管T4開通時刻;t4off(k)為開關(guān)管T4關(guān)斷時刻.1.1自然采樣法求解所謂自然采樣法,即是一種模擬的方法,由三角載波和正弦調(diào)制波的自然交截點決定開關(guān)管的開通與關(guān)斷時刻,決定最終的SPWM波形.為便于計算,令三角載波幅值為1,并且將三角載波和正弦調(diào)制波向上平移一個單位,得到圖3.在圖3中由相似三角形原理可知:CDAB=DEBE,進(jìn)一步可得:DE=ΔΤ4(1+asinω(t+ton(k)))推導(dǎo)得到開關(guān)管T1,T4的第k個開關(guān)信號時刻點為:{t1on(k)=t+ΔΤ2-ΔΤ4(1+asinω(t+t1on(k)))?t1off(k)=t+ΔΤ2+ΔΤ4(1+asinω(t+t1off(k)))?t4off(k)=t+ΔΤ4(1+asinω(t+t4off(k)))?t4on(k)=t+ΔΤ-ΔΤ4(1+asinω(t+t4on(k))).(1)其中:t=2(k-1)πωΝ,ΔΤ=2πωΝ,k=1,2,3,…,N.由公式⑴可知,自然采樣法要實時求解三角載波和正弦調(diào)制波的自然交點,要解超越方程,不適合在微處理器中實現(xiàn).只能通過迭代的方法計算,本文采用MATLAB取初值t1on(k)=t1off(k)=t4on(k)=t4off(k)=0迭代計算,迭代至ton(k)i+1-ton(k)i<10-6時停止計算.1.2t4的信號表達(dá)對稱規(guī)則采樣法,是在三角載波的負(fù)峰處對正弦波采樣,采樣點處的水平延長與三角載波相交,得到開關(guān)點ton(k),toff(k)的各個時刻(圖4).同理,由三角形相似可以推導(dǎo)得到開關(guān)管T1,T4的第k個開關(guān)信號時刻點為:{t1on()k=t+ΔΤ2-ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)),t1off(k)=t+ΔΤ2+ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)),t4off(k)=t+ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)),t4on(k)=t+ΔΤ-ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)).1.3t4offk不對稱規(guī)則采樣法是在每個三角載波的正峰處對正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣,采樣點處的水平延長與三角載波相交,得到開關(guān)點ton(k),t4off(k)的各個時刻(圖5).推導(dǎo)得到開關(guān)管T1,T4的第k個開關(guān)信號時刻點為:{t1on(k)=t+ΔΤ2-ΔΤ4(1+asinωt),t1off(k)=t+ΔΤ2+ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ)),t4off(k)=t+ΔΤ4(1+asinωt),t4on(k)=t+ΔΤ-ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ)).1.4規(guī)則采樣法的特征不規(guī)則采樣法,是在三角載波的正峰處和負(fù)峰處對正弦波進(jìn)行采樣,采樣點處的水平延長與三角載波相交,得到開關(guān)點ton(k),toff(k)的各個時刻,見圖6.推導(dǎo)得出開關(guān)管T1,T4的第k個開關(guān)信號時刻點為:{t1on(k)=t+ΔΤ2-ΔΤ4(1+asinωt),t1off(k)=t+ΔΤ2+ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)),t4off(k)=t+ΔΤ4(1+asinωt),t4on(k)=t+ΔΤ-ΔΤ4(1+asinω(t+ΔΤ2)).由公式和原理圖可知,不規(guī)則采樣法是在對稱規(guī)則采樣法的基礎(chǔ)之上,在一個三角載波周期內(nèi)增加了一個采樣點,使得兩對開關(guān)點中各有一個開關(guān)點發(fā)生變化,這使其相對于規(guī)則采樣法更為精確.2輸出波形中不含偶次諧波的情況由圖3～圖6可知,當(dāng)在調(diào)制波正半周期,即k=1,2,3?Ν2或Ν+12或時,在t1on(k)時刻和t4off(k)時刻之間,逆變器輸出電壓為VD;在調(diào)制波正半周期,即k=Ν2或Ν+12?Ν時,在t4on(k)時刻和t1off(k)時刻之間,逆變器輸出電壓為-VD.故而輸出的單極性倍頻SPWM脈沖序列數(shù)學(xué)表達(dá)式為:f(t)={VDt1on(k)≤t≤t4off(k),t4on(k)≤t≤t1off(k),k=1,2?Ν2或Ν+120others-VDt1on(k)≤t≤t4off(k),t4on(k)≤t≤t1off(k),k=Ν2或Ν+12?Ν將f(t)按傅里葉級數(shù)展開得:f(t)=a02+∞∑n=1[ancos(nωt)+bnsin(nωt)]由圖3可知輸出波形是半波對稱的奇函數(shù),故an=0,且輸出波形中不含偶次諧波,即:f(t)=∞∑n=1,3,5?bnsin(nωt)其中:bn=2π∫π0f(ωt)sin(nωt)d(ωt)當(dāng)n為奇數(shù)時:bn=2VDnπΝ2∑k=1[cos(nωt1on(k))-cos(nωt4off(k))+cos(nωt4on(k))-cos(nωt1off(k))],當(dāng)n為偶數(shù)時:bn=2VDnπΝ+12∑k=1[cos(nωt1on(k))-cos(nωt4off(k))+cos(nωt4on(k))-cos(nωt1off(k))],總諧波系:THD=1b1√∞∑n=3,5,7?b2n式中:n為諧波次數(shù);bn為第n次諧波的幅值;b1為基波幅值.根據(jù)以上幾個公式編寫MATLAB程序,對各種采樣方法下的逆變器輸出波形進(jìn)行諧波,取n=100,ω=100π,N=24,a=1,繪制頻譜圖如圖7所示.橫軸:諧波次數(shù),縱軸:諧波幅值,無量綱.當(dāng)載波比依次增大時,總諧波系數(shù)隨著載波比的變化趨勢如表1.由圖7可知,以上四種采樣方法下實現(xiàn)的單極性倍頻SPWM調(diào)制方式下逆變器輸出波形最低次諧波均為47次,均可抑制諧波到2N-1次,諧波抑制能力較強(qiáng).對于同一種算法而言,載波比越大,諧波系數(shù)THD越小,諧波含量越少.3比較讀取spwm波形本文采取TI公司的32位高速數(shù)字信號處理器TMS320F2812來實現(xiàn)單極性倍頻SPWM算法.TMS320F2812的事件管理器EVA,EVB中的全比較單元能方便的產(chǎn)生6對死區(qū)可編程且互補(bǔ)對稱的PWM波形.選取EVA的全比較單元1和全比較單元2,并且以通以定時器1為計數(shù)時基,以計數(shù)產(chǎn)生的階梯波模擬三角載波,以比較寄存器CMPRX的值確定開關(guān)點來產(chǎn)生SPWM波形.因此如圖3～圖6所示,使定時計數(shù)器T1工作于連續(xù)增/減計數(shù)模式,定時器計數(shù)器T1CNT從TIPR遞減到零,再遞增到TIPR,不斷的循環(huán)計數(shù).循環(huán)期間,不斷的與比較寄存器TIPR的值進(jìn)行比較.當(dāng)發(fā)生匹配后,輸出單元輸出的脈波極性發(fā)生改變,由此規(guī)律輸出SPWM波形.由圖3可知:DE=ΤC4[1+asinω(t+ΔΤ2)],其中TC為三角載波的周期.令EVA的通用定時器T1的時鐘周期為Tt,正弦波的周期為Tr,可推出產(chǎn)生開關(guān)管T1通斷信號的比較寄存器的值.3.1《計數(shù)字》載體積規(guī)則,2,3,2,3開通處和關(guān)斷處:CΜΡR1=12Τ1ΡR[1+asin(2k-1Νπ)],其中k=1,2,3……N.由計數(shù)器的工作方式可知:2Τ1ΡR×Τt=ΤC=ΤrΝ,進(jìn)一步推知:CΜΡR1=Τr4ΤtΝ[1+asin(2k-1Νπ)]其中k=1,2,3……N.3.2,2,3CΜΡR1={Τr4ΤtΝ[1+asin(2(k-1)Νπ)]?k=1,2,3??Ν?開通處Τr4ΤtΝ[1+asin(2k-1Νπ)]?k=1,2,3??Ν?關(guān)斷處3.3開關(guān)管t4管的信號分析CΜΡR1={Τr4ΤtΝ[1+asin(2(k-1)Νπ)]?k=1,2,3??Ν?開通處Τr4ΤtΝ[1+asin(2k-1Νπ)]?k=1,2,3??Ν?關(guān)斷處由單極性倍頻SPWM調(diào)制規(guī)律可知,開關(guān)管通斷信號也為半波對稱的奇函數(shù),則查正弦表時,指針向后移動(1/2)Tr即得逆變器開關(guān)管T4通斷信號的比較寄存器的值.根據(jù)上述計算公式,在MATLAB里計算出需要的正弦表,編寫相應(yīng)的程序.圖8為N=24,a=1,Tr=1/50s,Tt=175×106s時,單極性倍頻SPWM調(diào)制方式下,基于對稱規(guī)則采樣法(負(fù)峰處采樣)的,用示波器觀察DSP的PWM1和PWM3引腳產(chǎn)生的T1,T4管的波形.橫軸表示時間,單位為200μs/div,縱軸表示電壓幅值,單位為2V/div.4單極性spwm倍頻調(diào)制,符合基本民主協(xié)調(diào)方法,其符合以下規(guī)定1)本文推導(dǎo)的四種單極性倍頻SPWM算法,抑制諧波能力較好,最低次諧