CN101789709B - 四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法 - Google Patents

Abstract

四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，属于逆变器的脉宽调制领域。它解决了现有四开关三相逆变器控制方法复杂的问题。它基于正弦波发生器、三角波发生器、PWM调制器和隔离和驱动电路实现，将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器中，由正弦波发生器产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器产生的高频三角载波信号在PWM调制器中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。本发明用于四开关三相逆变器中功率开关管的控制。

Description

四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法

技术领域

本发明涉及一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，属于逆变器的脉宽调制领域。

背景技术

1964年德国学者A.Schonung和H.stemmler首次提出把PWM技术应用于交流传动中，为交流传动的推广应用开辟了新的局面。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好等优点成为了电力电子技术中最广泛应用的控制方式。

脉宽调制技术一般通过三角载波与调制函数波进行比较，得到脉冲宽度随调制函数值变化的脉冲序列。对于三相交流负载，通常采用三相全桥式六开关逆变器拓扑，如图1所示，配以三相对称的SPWM调制即可实现逆变器的三相正弦基波电压输出。为了提高母线电压利用率，出现了注入三次谐波SPWM调制和SVPWM调制等策略，如今SVPWM调制已成为六开关三相逆变器最主要的控制方式。六开关三相逆变器采用6个功率开关管和6个反并联功率二极管组成全桥拓扑，当其某一桥臂上功率管发生故障时，要采取一定措施构建四开关逆变器拓扑，同时在低成本应用场合，四开关逆变器因节省2个功率开关管和2个功率二极管而得到重视。

中国专利《一种三相逆变拓扑电路》，公开号为CN101179231A，公开日为2008.5.14，公布了四开关三相逆变器的拓扑结构和其应用场合，拓扑由四个开关元件和两个直流电源组成，四个开关元件两两串联构成两条支路，两直流电源串联构成第三支路，这三条支路相并联，从这三条支路的串联中点引出输出端，作为逆变器的交流输出端。由于四开关三相逆变器包含四个功率开关管，具有四组开关模型，能够形成四个开关电压矢量，电压矢量空间分布图如图3所示，其中，U₀(00)、U₁(01)、U₂(10)、U₃(11)分别表示在α、β坐标系下两桥臂的四个开关矢量，通过U_α和U_β两个分量形成旋转矢量U₀。由于四个开关矢量长度不等，这使得四开关逆变器较六开关逆变器的控制自由度降低，控制难度加大。目前对四开关三相逆变器仍然采用SVPWM调制思想进行控制，控制方法复杂，同时对实施电路的硬、软件要求较高，在低成本应用中受到了制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，它解决了现有四开关三相逆变器控制方法复杂的问题。

本发明基于正弦波发生器、三角波发生器、PWM调制器和隔离和驱动电路实现，

将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器中，由正弦波发生器产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器产生的高频三角载波信号在PWM调制器中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。

本发明的优点是：

本发明采用两相SPWM等效实现四开关三相逆变器的SVPWM调制方法，实现了四开关三相逆变器的简化和高性能控制。它根据PWM调制的原理，采用简单的SPWM调制来等效四开关SVPWM调制，从而简化算法，并且实现电路简单，降低实现成本。

附图说明

图1为六开关三相逆变器拓扑结构图；图2为四开关三相逆变器拓扑结构图；图3为已有的四开关三相逆变器SVPWM调制方法图；图4为本发明调制方法的信号走向示意图；图5为PWM调制的规则采样法原理图，图中曲线A为三角载波，曲线B为调制正弦波，T为载波周期，Ton为导通时间；图6为本发明方法输出的PWM序列波形图，图中C为调制正弦波，D为三角载波，E为PWM序列；图7为本发明方法的DSP软件实现程序流程；图8为采用DSP实现本发明PWM调制的输出波形图，图中T1CNT为DSP中装载到通用定时器T1中的计数寄存器的值，T1PR为DSP中装载到通用定时器T1中的周期寄存器的值。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式基于正弦波发生器1、三角波发生器2、PWM调制器3和隔离和驱动电路4实现，

将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器1中，由正弦波发生器1产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器2产生的高频三角载波信号在PWM调制器3中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路4后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。

本实施方式中由正弦波发生器1产生的两路正弦波调制函数的相位超前还是滞后由设定的调制正弦波参数的方向信号决定，最后在所述四开关三相逆变器的a、b、c输出端得到高频电压脉冲序列，其基波为三相正弦对称的电压值。

具体实施方式二：下面结合图4图8说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述设定的欲调制正弦波参数为：幅值Um、角频率ω、初始相位θ₀和方向dir，正弦波发生器1产生的两路正弦波调制函数为：

其它组成及连接关系与实施方式一相同。

等效调制函数：

根据PWM的规则采样法，如图5，可以求解出四开关三相SVPWM调制的等效调制函数，形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{br}}\left(t\right)=\sqrt{3}m\sin \mathrm{\ωt}\\ u_{\mathrm{cr}}\left(t\right)=\sqrt{3}m\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.,$

其中，u_br(t)和u_cr(t)为图4中四开关三相逆变器的b、c两相(即功率管桥臂构成的两相)的等效调制函数；

为调制比，U_o为四开关三相逆变器输出电压矢量的幅值，Vdc为直流母线电压值；式中 

由此可以看出，四开关三相逆变器输出的三相正弦对称基波电压幅值在直流母线电压值一定的情况下由初始幅值给定U_m决定，角频率和初始相位分别由ω和θ₀决定，相序由方向给定dir决定，改变调制比m和角频率ω可以分别控制逆变器输出电压的基波幅值和频率，实现变压变频的目的。本发明方法中四开关三相逆变器由四个IGBT功率管、四个功率二极管及两个电容组成，四个IGBT和四个功率二极管构成H桥拓扑提供两相输出，两串联电容与其并联跨接在母线之间，两个电容中 点引出作为第三相输出。通过控制功率开关管的导通与闭合使逆变器输出三相正弦基波电压。

本发明方法的具体实现方案：

一、CPLD+D/A+比较器数模混合实 现：

CPLD用于产生本发明方法中的两路正弦波和三角波数字量，经D/A转换器转换为模拟量，再通过比较器调制出PWM脉冲序列，经硬件电路加入驱动信号死区后，控制四开关逆变器功率管通断。

二、单片机、DSP或FPGA数字实现：

在单片机、DSP或FPGA中，正弦波发生器1、三角波发生器2和PWM调制器3的功能均能采用编程方式通过软件程序实现。

下面介绍采用TI公司的TMS320LF2407 DSP通过软件方法实现四开关三相逆变器PWM调制的过程。在LF2407 DSP中有两个事件管理器EVA和EVB，每个EV模块包括两个通用定时器、三个比较单元、一个可编程的死区发生单元和输出逻辑控制单元，可以方便地产生六路PWM脉冲信号。第一个通用定时器(EVA模块)或第三个通用定时器(EVB模块)可用于产生锯齿波或不对称三角波，通过在比较单元中与比较寄存器值CMPR相比较，经死区单元及输出逻辑后，每路比较输出可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区及输出极性的PWM输出，当定时器设置为连续增/减计数模式时，将产生对称PWM波形。

DSP实现四开关PWM调制的程序流程如图7所示，PWM调制任务在定时器T1周期中断服务程序完成。上电后，首先进行系统初始化，再在EVA初始化中对事件管理器进行设置，具体为：

A、设置MCRA(I/O复用控制寄存器)，把DSP的引脚IOPA6、IOPA7、IOPB0、IOPB1配置为基本功能方式PWM1到PWM4；

B、设置ACTRA(比较方式控制寄存器)，配置PWM1到PWM4的输出有效电平；

C、设置DBTCONA(死区控制寄存器)，使能死区并配置死区定时器的周期；

D、初始化CMPR1和CMPR2全比较寄存器；

E、根据PWM的周期(载波周期)设置定时器的周期寄存器T1PR；

F、设置COMNCONA比较寄存器，使能比较操作；

G、设置T1CON定时器1控制寄存器，使定时器1处于连续增/减计数模式，并启动计数。

在定时器T1周期中断里，完成调制波查表、比较周期值计算等以调制出PWM波，具体为：根据给定查表求取两路正弦调制波(相位相差60°)对应的正弦值，根据调制波正弦值算出每路PWM脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器的值，然后将其送到比较寄存器，这样DSP硬件就根据配置好的寄存器值自动产生给定占空比的PWM波。设置PWM输出口为高有效时，DSP PWM口的输出波形如图8所示，T1定时器值T1CNT为三角载波，CMPR1和CMPR2为该调制周期内比较寄存器设定值，死区大小通过死区控制寄存器DBTCONA中计数器周期值设置。

Claims (2)

1.一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，它基于正弦波发生器(1)、三角波发生器(2)、PWM调制器(3)和隔离和驱动电路(4)实现，其特征在于：

将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器(1)中，由正弦波发生器(1)产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器(2)产生的高频三角载波信号在PWM调制器(3)中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路(4)后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。

2.根据权利要求1所述的四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，其特征在于：所述设定的调制正弦波参数为：幅值Um、角频率ω、初始相位θ₀和方向dir，正弦波发生器(1)产生的两路正弦波调制函数为：

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