電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)與實踐 課件 第2章 正弦波脈寬調(diào)制

電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)與實踐電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)與實踐上篇 1. 脈沖寬度調(diào)制 2. 正弦波脈寬調(diào)制

3. 信號濾波 4. 反饋控制 5. 坐標(biāo)變換 6. 空間電壓矢量脈寬調(diào)制 下篇 7. 電力電子技術(shù)的PLECS仿真實驗 8. 電力電子技術(shù)的實驗箱實驗 電力電子控制技術(shù)基礎(chǔ)與實踐2. 正弦波脈寬調(diào)制

2.1 SPWM信號參數(shù) 2.2 SPWM生成方法 2.3 SPWM控制方案 2.4 SPWM的電路實現(xiàn) 2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn) 2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn) 2.1 SPWM信號參數(shù)2.2.1載波比N=fc/fr（載波頻率fc，調(diào)制信號頻率fr）異步調(diào)制同步調(diào)制分段同步調(diào)制2.2.2調(diào)制度M=Ur/Uc，通常情況下0<M≤12.2.3總諧波畸變率周期性交流量中諧波含量方均根值（即有效值）和其基波分量方均根值之比圖2-1SPWM原理圖PWM脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，為正弦波脈寬調(diào)制SPWM2.2 SPWM生成方法2.2.1面積等效法（計算法）按照面積相等的原理，通過積分等運算解出各脈沖的寬度和間隔來生成SPWM第k個區(qū)間的脈沖寬度ΔkM為調(diào)制度N為一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)面積等效法，計算較繁瑣，計算量大，使用較少。2.2 SPWM生成方法2.2.2跟蹤法滯環(huán)比較方式滯環(huán)環(huán)寬△I對跟蹤性能有較大的影響。環(huán)寬過寬時，開關(guān)動作頻率低，但跟蹤誤差增大。環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差減小，但開關(guān)的動作頻率過高，開關(guān)損耗隨之增大。電抗器L1可起到限制電流變化率的作用。。圖2-3電流跟蹤滯環(huán)比較控制原理圖和波形圖2.2 SPWM生成方法2.2.2跟蹤法三角波比較方式三角波比較方式不是參考信號和三角波直接比較產(chǎn)生PWM波形，而是電壓比較器比較三角波信號和(I-I_ref)信號，三角波為載波。電流跟蹤型三角波圖2-4電流跟蹤型三角波比較方式產(chǎn)生PWM原理圖2.2 SPWM生成方法2.2.3調(diào)制法自然采樣法規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法（1）自然采樣法在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷圖2-5三角載波和正弦波比較產(chǎn)生SPWM的模型、波形圖自然采樣法原理2.2 SPWM生成方法（2）對稱規(guī)則采樣法以每個三角波的對稱軸（頂點對稱軸或低點對稱軸）所對應(yīng)的時間作為采樣時刻，過三角波的對稱軸與正弦波的交點，做平行t軸的平行線，該平行線與三角波的兩個腰的交點作為SPWM波“開”和“關(guān)”的時刻。圖2-6對稱規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法原理2.2 SPWM生成方法（3）不對稱規(guī)則采樣法每個載波周期采樣兩次，頂點、底點各一次，頂點對應(yīng)時刻t1、底點對應(yīng)時刻t2。采樣所形成的階梯波與三角波的交點并不對稱，因此稱其為不對稱規(guī)則采樣法。圖2-7不對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法原理對稱規(guī)則采樣法ton不對稱規(guī)則采樣法ton2.2 SPWM生成方法2.3 SPWM控制方案2.3.1單極性SPWM單極性SPWM所得的信號有正、負(fù)和0三種電平圖2-8單極性SPWM2.3 SPWM控制方案圖2-9單極性SPWM驅(qū)動橋式逆變電路2.3 SPWM控制方案2.3.2雙極性SPWM信號電平極性有兩種：1和-1。2.3 SPWM控制方案圖2-11雙極性SPWM驅(qū)動橋式逆變電路原理圖、驅(qū)動信號2.3 SPWM控制方案2.3.3倍頻式SPWM將載頻倍頻輸入，形成倍頻式SPWM。倍頻式SPWM逆變電路指輸出電壓等效載波頻率fcp是逆變器件開關(guān)頻率fc的2倍。圖2-12倍頻式SPWM逆變電路原理圖和波形圖2.3 SPWM控制方案特點比較單極性SPWM①基波成分與調(diào)制波信號成線性關(guān)系。②不含載波諧波。③不含k為偶數(shù)次的諧波。④諧波出現(xiàn)在載波頻率附近。雙極性SPWM①在載波比足夠大，調(diào)制比小于1的時候，基波成分與調(diào)制信號成線性關(guān)系。②不含偶數(shù)次載波諧波。③諧波出現(xiàn)在載波頻率整數(shù)倍頻率附近。倍頻SPWM①基波成分與調(diào)制波信號成線性關(guān)系。②不含載波諧波。③不含偶數(shù)次諧波。④諧波出現(xiàn)在載波頻率偶數(shù)倍頻率附近。2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWM仿真模型

圖2-13三相SPWM逆變仿真電路模型2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWMSPWM信號圖2-14三相正弦信號、三角載波信號、三個橋臂的驅(qū)動信號2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWM逆變波形圖2-15逆變電路的相電壓波形、線電壓波形、線電壓的濾波后波形圖2.4 SPWM的電路實現(xiàn)專用的SPWM集成電路產(chǎn)生SPWM信號TDS4578、TDS2285等通用集成電路產(chǎn)生SPWM信號使用信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波與三角波相比較調(diào)制產(chǎn)生SPWM的逆變電路例電路包括多個模塊電路：正弦波發(fā)生電路、三角波發(fā)生電路、SPWM發(fā)生電路、反相延遲隔離電路、驅(qū)動電路、橋式電路、電源與插座電路。XR2206是單片函數(shù)發(fā)生器集成電路，能夠產(chǎn)生正弦、三角波，RP8、RP13調(diào)節(jié)工作頻率。RP4正弦波對稱性調(diào)整，RP5為THD調(diào)節(jié)，RP6為輸出幅值調(diào)節(jié)正弦波頻率2.4 SPWM的電路實現(xiàn)2.4 SPWM的電路實現(xiàn)調(diào)制信號sin、載波tri與SPWM（分別為通道1、2、3），輸出電容C4兩端電壓波形為正弦波。調(diào)制信號約50Hz，三角載波頻率要遠(yuǎn)高于（10倍以上）調(diào)制信號頻率，三角載波頻率越高輸出正弦波的諧波幅值越小。圖2-17調(diào)制信號sin、載波tri與SPWM信號波形圖2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)2.5.1STC8微控制器軟件模擬法產(chǎn)生SPWM信號硬件環(huán)境：使用STC8A8K64S4微控制器驗證，12MHz系統(tǒng)工作頻率，端口P1.1輸出信號。微控制器默認(rèn)12T工作模式，每個計時脈沖時間12/12MHz=1μs。也可以設(shè)置AUXR=0x80，提高工作頻率，微控制器運行在1T工作模式。定時器T0工作在16位定時模式1，不自動重裝載，用于產(chǎn)生SPWM波形的定時。將每個載波周期內(nèi)的Tpwh、Tpwl依次寫入數(shù)組x[]、y[]，每個數(shù)組有24個值。2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)2.5.1STC8微控制器軟件模擬法產(chǎn)生SPWM信號fc=Nfr=1200Hz，

Tc=1/(Nfr)=1/1200s,在12T模式工作模式下，高低電平T0計數(shù)值（周期）約834，用對稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型公式Tpwh、Tpwl計算TH0和TL0的值。TH0共24個值。軟件包括初始化、主程序、定時器中斷程序。①初始化程序完成定時器T0的設(shè)置。②主程序空循環(huán)。③定時中斷程序在中斷發(fā)生時，輸出端口電平翻轉(zhuǎn)，并按照x[]的值順序修改定時器的中斷值，直到所有x[]的值取完后從頭重復(fù)取值。程序（略）2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)有誤差，只能用于頻率精度要求不高的場合。為減小誤差，可以修正x[]值、提高運行頻率、或單獨使用另一個定時器提供載波周期等方法。圖2-18示波器測試SPWM波形圖2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)2.5.2互補兩路帶死區(qū)的SPWM程序硬件環(huán)境：STC8A8K64S4微控制器，PWM發(fā)生器外設(shè)，10kHz載波頻率，50Hz信號頻率。P5.2端口接LED用于運行指示，使用PWM3和PWM4，端口輸出P2.3和P2.4。微控制器晶振頻率24MHz，啟用PWM中斷。軟件模塊：①初始化程序完成T_SinTable[]賦值，PWM模塊等初始化程序。②main函數(shù)流程：串口初始化，PWM模塊初始化，開全局中斷，循環(huán)LED翻轉(zhuǎn)顯示。③PWM中斷函數(shù)流程：清除中斷標(biāo)志，查表T_SinTable[]取值，死區(qū)修正，賦值PWM，串口輸出PWM值，修改SPWM查表索引值至下一個數(shù)，用串口傳輸當(dāng)前的SPWM脈寬值，中斷返回。對稱規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM非對稱規(guī)則采樣法對稱規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM135.

j=T_SinTable[PWM_Index];136. 137. PWM3T1H=0;

138. PWM3T1L=0;139. PWM4T1H=(u8)(j>>8);

140. PWM4T1L=(u8)j;

141. 142. j+=PWM_DeadZone;143.144. PWM3T2H=(u8)(j>>8);

145. PWM3T2L=(u8)j;146. PWM4T2H=0;147. PWM4T2L=PWM_DeadZone;

150.j=T2_SinTable[PWM_Index];151.if(PWM_Index==199)152.j2=T2_SinTable[0];153.else154.j2=T2_SinTable[(PWM_Index+1)];155.j+=j2;156.PWM3T1H=0;

157PWM3T1L=0;158.PWM4T1H=(u8)(j>>8);

159.PWM4T1L=(u8)j;

160. 161.j+=PWM_DeadZone;162. 163.PWM3T2H=(u8)(j>>8);

164.PWM3T2L=(u8)j;165.PWM4T2H=0;166.PWM4T2L=PWM_DeadZone2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)實驗示波器儀器串口示波器圖2-20串口示波器測試的j變量波形2.5 STC8微控制器的SPWM實現(xiàn)2.5.3STC8微控制器三相SPWM波形程序硬件：STC8A8K64S4微控制器，工作頻率24MHz，產(chǎn)生帶死區(qū)正弦波調(diào)制三相SPWM互補波形，信號頻率50Hz，SPWM調(diào)制頻率10kHz。軟件：包括初始化程序，中斷程序，主程序。在中斷函數(shù)中用printf("%d,%d,%d\n",i,j,k)，打印(i，j，k)圖2-22串口示波器顯示i，j，k波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn)2.6.1STM32F4產(chǎn)生sin和tan信號硬件環(huán)境：使用型號STM32F407的微控制器，系統(tǒng)時鐘頻率168MHz。程序流程：產(chǎn)生兩個相位相差120o的sin信號，產(chǎn)生一個tan信號并通過串口回傳上位機顯示。36.for(m=0;m<=628;m++)37.{39.u=tan(((float)(m))/100);40.v=sin(((float)(m)+209.33)/100);41.w=sin(((float)(m)-209.33)/100);42. 43.u1=(int)(u*10000);44.v1=(int)(v*10000);45.w1=(int)(w*10000);46.printf("%d,%d,%d\n",u1,v1,w1);47.}圖2-23串口示波器觀測到的波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn)2.6.2諧波注入法產(chǎn)生PWM信號硬件環(huán)境：使用型號STM32F407的微控制器，外部時鐘25MHz，內(nèi)部工作頻率168MHz。程序包括初始化程序、中斷程序、主程序。使用TIM6產(chǎn)生定時中斷，中斷周期為0.1ms，在中斷服務(wù)程序中更改標(biāo)志位sig_flag。調(diào)試：在主程序中判斷出現(xiàn)中斷后，計算正弦信號值和注入3次諧波值，相加獲得輸出信號sig1、sig2、sig3的值。將sig1、sig2、sig3的值用串口上傳圖2-243次諧波注入法輸出波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn)2.6.2諧波注入法產(chǎn)生PWM信號Vh=-(fmaxf(fmaxf(Va,Vb),Vc)+fminf(fminf(Va,Vb),Vc))/2;則注入信號與原三相信號疊加獲得波形馬鞍波提高直流電壓的利用率，將調(diào)制波和注入的諧波的調(diào)制信號Vr=Va+Vh，改為：或圖2-25注入信號與原三相信號疊加獲得馬鞍波2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn)2.6.3STM32F407產(chǎn)生兩路互補的SPWM使用STM32F407高級定時器生成互補SPWM波步驟①確定載波頻率fc。周期Tc為載波頻率倒數(shù)。②確定信號頻率fr，基波周期Tb=1/fr。③計算載波比N，即一個信號基波周期內(nèi)采集點數(shù)。④載波周期時長值設(shè)定為中斷時間，在中斷程序中，用PWM計數(shù)控制電平變化。死區(qū)時間可以直接在高級定時器的結(jié)構(gòu)體寄存器中設(shè)置。⑤N個點輸出PWM信號完畢后重復(fù)。硬件環(huán)境：使用型號STM32F407的微控制器，外部時鐘25MHz，內(nèi)部工作頻率168MHz，TIM8高級定時器用于產(chǎn)生互補PWM信號。。PA7->TIM8_CH1N，PB0->TIM8_CH2N，PC6->TIM8_CH1，PC7->TIM8_CH2。兩個通道是獨立的，可以單獨設(shè)置計數(shù)值CCR，死區(qū)時間為0。2.6 STM32F4微控制器的SPWM實現(xiàn)選10kHz的開關(guān)頻率，信號頻率50Hz，微控制器晶振頻率168MHz。TIM8預(yù)分頻168，計數(shù)