基于pwm正弦波电源的设计

基于pwm正弦波电源的设计内容摘要：

保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路等。 下面对各个部分做一些简单介绍 : (1)输入电路 逆变主电路输入为直流电，若是直流电网 (如煤矿，矿山，电车等 )、蓄电池贮存的电，或者是直流发电机发出的电，或者直流电动机和变频调速交流电动机制动时再生直流电，则输入电路包括滤波电路和 EMI 对策电路。 若是交流电网，除了滤波和 EMI 对策电路外，首先还要有整流电路。 (2)输出电路 输出电路一般都包括输出滤波电路和 EMI对策电路，对直流输出的逆变系 统还包括输出整流电路。 对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。 对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。 (3)控制电路 控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的一导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。 在逆变系统中，控制电路和逆变主电路同样重要。 (4)辅助电源和保护电路 辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的 直流电压。 若是直流输入，则是一个或几个 DC/DC 变换器 :若是交流输入，则可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式，当然也可以采用 DC/DC 变换器。 (5)逆变主电路 黄石理工学院毕业设计（论文） 8 逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两大类。 如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开关电源、UPS、加热电源等都是隔离式逆变电路。 隔离式逆变主电路还应包括逆变变压器。 非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式，用它们也可以组成各种隔离式逆变主电路。 PWM 信号的产生方式 按照 SPWM控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。 如果采用自然采样法，会增加硬件的复杂度，但因该系统是以 FPGA为控制核心，可方便地实现。 把正弦波波形表存人存储器中，同时利用加法器和减法器生成三角形载波，再通过数字比较器产生所需要的波形。 该方案具有可靠性高，可重复编程，响应快，精度高等特点。 SPWM 控制技术及其原理 SPWM 控制的基本原理 SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代 替正弦波或者其他所需要的波形。 从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。 然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。 但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。 希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载波。 当调制信号是正弦波时，所得 到的便是 SPWM 波形。 当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的 PWM波形。 全桥逆变器的控制方式 全桥逆变器的控制脉冲按 SPWM 调制方式，有单极性、双极性和单极性倍频调制三种。 黄石理工学院毕业设计（论文） 9 (1)双极性 SPWM 调制 全桥逆变器采用双极性 PWM 控制方式时 ,载波为全波三角波。 用正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分，输出负脉冲。 在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。 负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。 (2)单极性 SPWM 调制 采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性，在开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压下自然续流衰减， 在控制时间到时再恢复输出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正 (负 )直流电压组成。 该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率小，功耗也要小，因此对系统及外部设备干扰小。 (3)单极性倍频 SPWM 调制 UiS1S2 S3S4Cf ZLfTUcUAB 图 21 正弦波单相全桥逆变电路 在图 21 所示电压型全桥逆变电路中， Ql, Q2, Q3, Q4 循环导通一次的控 制脉冲。 单极性倍频 SPWM调制原理分析如下 : 两路脉冲占空比为 :  1 1 sin2pDM 正 = （ 21）  1 1 sin2nDM 正 = （ 22） 对 P 路调制波 :当调制波电压高于载波电压时控制左桥臂上管导通，下管关黄石理工学院毕业设计（论文） 10 闭，反之相反 .同样，对 N 路调制波 :当调 制波电压高于载波电压时控制右桥臂上管导通，下管关闭。 若以 “ 1”来表示开关管导通， 0”表示关断，则 : 1 2 3 4 a b100 1 S P W M UQ Q Q Q  输 出 波 正 半 波 1 2 3 4 a b011 0 S P W M UQ Q Q Q  输 出 波 负 半 波 根据三角形的相似性，根据规则采样法的特点，对于 P路正脉冲，在时间上， BC=Tc/2,MN=旦 Tc 为采样周期，即三角载波的周期， d 是输出脉冲宽度， D 是输出脉宽相对采样周期的占空比。 由    ccrT U U si n 222 cU     （ 23） 得到脉宽 1 s in2c rcT UU   （ 24） 占空比 D为  1 1 s in2cDMT     （ 25） M=Ur/Uc，代表调制度。 以上是 0r内 P路正脉冲的占空比，同样可得 0n 内 N路正脉冲的脉宽为 (1 sin )2c rcT UU   （ 26） 于是占空比 D为  1 1 s in2cDMT     （ 27） 在每个调制波周期 , P 正脉冲总对应于 N 正脉冲，而在前半周内， P 前正的脉冲宽度恒大于 N前正的脉冲宽度。 于是 P前正脉冲跟与之相对应 N前正脉冲首尾的N 前负脉冲相差而得到有效 SPWM 波 Uab 正半波的两 个脉冲，并且此相邻二脉冲宽度相等 (规则采样的特点 :每个脉冲在载波周期中点处两端等宽 )。 同理，容易得到输出有效 SPWM 波 Uab 负半波为 P 后负 N 后正在一个调制波周期内， P 路调制波前半周 (也即 N 路调制波前半周， P、 N 正负两路正弦调制波严格反相 )时间段内，两路正脉冲的占空比分别为 : 黄石理工学院毕业设计（论文） 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） 称 offD 为有效占空比 (即同一个载波周期内两个等宽的有效脉冲的占空比之和 )。 由上式可知，双重 SPWM 调制方式所得到的正弦脉冲与普通 SPWM 方式得到的正弦脉冲在效能上完全一样。 SPWM 控制脉冲的实现方法 以 SPWM为控制方式构成 的逆变器，其输入为恒定不变的直流电压，通过 SPWM技术在逆变电路中同时实现调压和调频。 因此，该控制方案可简化主回路和控制回路结构、提高系统响应速度。 很适合蓄电池或太阳能电池等直流电源供电的高频链逆变器的控制。 因此，综合考虑之后，本文所设计的数字化控制 DCAC正弦波电源可采用 SPWM 控制策略。 生成 SPWM 控制波形的方法主要有两类 :一是采用模拟电路，二是采用微处理器由程序生成。 (1)利用模拟电路生成 SPWM 脉冲 首先由模拟元件构成的三角波和正弦波产生电路分别产生三角载波信号 tU 和正弦波参考信号 rU ，然后送入电压比较器，从而产生 SPWM 序列，这种利用模拟电路调制方式的优点是完成 tU 与 rU 信号的比较和确定脉冲所用的时间短， 几乎是瞬间完成的。 而且 tU 与 rU 的交点精确，是两列比较波的自然交点，未做过任何近似处理，然而，这种 方法的缺点是所需硬件较多，且难以实现三角波与正弦波的同步，而且模拟元件尤其是运算放大器存在温度漂移等不稳定因素，使得系统调试麻烦，并且不易稳定。 (2)利用软件编程方法生成 SPWM 控制脉冲 在逆变器控制方法设计中，利用软件编程实现 SPWM 波的算法很多，通常使用较多的有自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法等。 ①自然采样法 该方法与采用模拟电路由硬件自然确定 SPWM 脉冲宽度的方法类似，只是这里是采用计算的方法寻找三角载波与正弦参考波的交点时刻，从而确定 SPWM 脉冲宽度。 只要通过对 tU 与 rU 的数学表达式联立求解，找出其交点对应的时刻 0t , 1t ... 黄石理工学院毕业设计（论文） 12 6t 便可以确定相应 SPWM 波的脉冲宽度。 虽然微处理器具有复杂运算功能，但进行计算需要一定的时间，而 SPWM 逆变器的输出需采用实时控制，其运算速度还满足不了联立求解方程的需要。 实际采用的方法是先将参考正弦波的四分之一周期 内各时刻的 tU 和 rU 值算好，以表格形式存储于存储器内，当控制需要计算某时刻的 tU和 rU 时，不用实时计算而采用查表的方法很快得到。 由于波形的对称性，只需要知道参考正弦波四分之一周期的 tU 和 rU 值即可，在一个周期内其 它时刻的值可由对称关系求得。 tU 和 rU 波形的交点求法可采用数值逼近法，规定一个允许误差  ，通过修改 it值，当满足    t i r iU t U t 时，则认为找到了 tU 和 rU 波形的交点。 根据求得的 0t , 1t , 2t „便可确定 SPWM 的脉冲宽度。 采用自然采样法，虽然可以准确的确定 tU 和 rU 的交点，但是计算工作量很大，为了简化计算工作量，便于在工程上使用，经常采用规则采样法。 该方法的效果接近自然采样法，但是却大大简化了计算工作量。 ②规则采样法 采用三 角波作为载波的规则采样法示意图如图 22： MU tAA ’B ’Bt 2 39。 t 2t 1t 3T tU r 图 22 规则采样示意图 按自然采样法求得的 tU 和 rU 的交点为 A’和 B39。 ，每个脉冲的中点并不和三角波中点重合，对应的 SPWM 脉宽为 2t 39。 ，为了简化计算，采用近似的方法求 tU 和 rU 的黄石理工学院毕业设计（论文） 13 交点。 规则采样法使脉冲中点和三角波中点重合，通过两个三角波峰之间中线与 rU 的交点 M做水平线与三角波分别交于 A 和 B点，由交点 A 和 B确定的 SPWM 脉宽为 2t , 2t 和 2t ’ 的数值相近，两个脉冲之间相差了一个很小的△ t 时间。 规则采样法就是利用 tU 和 rU 的近似交点 A和 B代替实际的交点 A39。 和 B39。 ，用以确定 SPWM 脉冲信号。 这种方法虽然有一定的误差，但此误差工程实践证明是可以忽略的。 因此， SPWM控制脉冲的实现算法就变为求解简单的三角方程，大大减小了计算量。 设三角波和正弦波的幅值分别是 tmU 和 rmU ，周期分别是 tT 和 st ，脉宽 2t 和间隙时间 it 和 3t 由下式计算 :     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，从而确定相应的脉冲宽度。 上面对 PWM控制技术的原理进行了分。