CN1022154C

CN1022154C - 一种正弦脉宽调制控制电路

Info

Publication number: CN1022154C
Application number: CN 90107029
Authority: CN
Inventors: 章进法
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1990-08-15
Filing date: 1990-08-15
Publication date: 1993-09-15
Anticipated expiration: 2005-08-15
Also published as: CN1059056A

Abstract

“正弦脉宽调制(SPWM)控制电路”是用于恒频恒压输出直流-交流变换器的控制信号发生电路。该电路在存储器(EPROM)中储存了一组预先经计算得到的拟合曲线。由存储器输出周期性的拟合曲线组与直流反馈控制信号直接比较，输出正弦脉宽调制控制信号。本发明不存在已有技术中正弦波调制控制信号和三角波载波信号发生环节及正弦波调制信号的幅度调节环节，控制电路结构最简，运行稳定性好，可靠性高。

Description

本发明涉及恒频恒压输出的直流-交流变换器控制技术。

在恒频恒压输出的直流-交流变换器中，广泛采用正弦脉宽调制控制技术，以抑制变换器输出电压中低次谐波含量，减小滤波器尺寸，改善变换器动态响应性能，并实现变换器的小型化，轻量化和变换高效率。

如图1-（a）所示，U_△是三角波载波信号，其频率决定变换器中开关功率元件的工作频率。U_S是正弦波调制信号，其频率决定变换器输出交流电压的频率。控制变换器中开关功率元件在正弦波调制信号U_S与三角波载波信号U_△相交点改变工作状态，因而可得到图1-（b）所示变换器输出电压波形Uo。由图可见，输出电压脉冲幅度恒定（等于变换器输入直流电压），而脉冲宽度τ随时间按正弦规律变化。该输出电压充分接近正弦波，便于通过交流滤波器滤波。改变正弦波调制信号U_g幅度U_gm，即可改变输出电压脉冲宽度τ，从而实现变换器输出交流电压值的调整。

已有技术（一）是利用模拟电路方法构成正弦脉宽调制控制电路。如图2所示，电路包括：石英晶体振荡器1，计数器2、3，正弦波调制信号发生器4，三角波载波信号发生器5，正弦波调制信号幅度控制器6和比较器7。电路结构复杂，稳定性较差，抗外部干扰能力弱。

已有技术（二是）利用数字电路方法构成正弦脉宽调制控制电路。如图3所示，电路包括：石英晶体振荡器1，计数器2、3，正弦波调制信号存储器（EPROM）8，三角波载波信号存储器（EPROM）9，数-模变换器10、11，正弦波调制信号幅度控制器6和比较器7。由于该电路以数字方式工作为主，运行稳定性较高，抗外部干扰能力较强。但电路结构更加复杂，适应性差。

根据前述已有技术，其电路中均包含正弦波调制信号和三角波载波信号发生环节（已有技术（二）中尚包含二个数-模变换器单元）及正弦波调制信号幅度控制环节。上述三个环节是导致电路结构复杂和电路运行稳定性下降的主要原因。

本发明的任务是设计一种恒频恒压输出的直流-交流变换器用数字化正弦脉宽调制（SPWM）控制电路，该电路中不包含正弦波调制信号和三角波载波信号发生环节及正弦波调制信号的幅度调节环节，从而提高电路的运行稳定性和抗外部干扰能力。

参照附图说明本发明方案及具体的实施方式：

图1是正弦脉宽调制控制原理解释图;

图2是正弦脉宽调制控制电路已有技术（一）方框图;

图3是正弦脉宽调制控制电路已有技术（二）方框图;

图4是本发明设计思路解释图;

图5是本发明的方框图;

图6是本发明的电气原理图;

图7是本发明在恒频恒压电源系统实施说明图。

本发明的设计思路是由于正弦波调制信号正负半周具有对称性质，负半周控制信号可以用正半周相同方法得到，因此正弦波调制信号Ug正负半周取相同信号，变成图4-（a）所示波形。为了实现变换器的恒频恒压输出，正弦波调制信号Ug的幅度Ugm须在一定范围内可调。假设正弦波调制信号幅度Ugm所确定的调节范围为△Ugm，则对该范围内的每一正弦波调制信号Ug，经与三角波载波信号U_△相交，可得到一组控制变换器中开关功率元件工作状态发生改变的点a1、a2、…an。这些点可以在图4-（b）中直流反馈控制信号Urb等于调制比m（m定义为正弦波调制信号Ug与三角波载波信号U_△的幅度之比）值上得到对应点。对于图4-（a）中调节范围△Ugm内各正弦波调制信号Ug与三角波载波信号U_△相交，求出图4-（b）所有对应点。即得到一组代表正弦脉宽调制控制的曲线U_A，如图4-（b）所示。这样，直流反馈控制信号Urb与曲线U_A相交得到的变换器开关功率元件工作状态改变点即与m＝Urb的条件下，正弦波调制信号Ug与三角波载波信号U_△相交得到的点相同。如图4-（c）中波形Uol所示。而图4（b）中直流反馈控制信号Urb在调制比范围△m范围内变化所实现的功能也与图4-（a）中正弦波调制信号Ug在调节范围△gm内变化所实现的功能一致。因此，根据本发明的设计思路，只要在电路上形成曲线U_A，即可方便地实现正弦脉宽调制控制。

曲线U_A经时间轴上多点等分后，在电路上由存储器（EPROM）储存，再经一定的辅助电路而得到拟合的曲线U_A输出。拟合曲线U_A在储存到存储器（EPROM）之前，须预先用计算的方法完成其求取工作，拟合曲线U_A的计算方法如下：

参照附图4-（a），根据正弦脉宽调制规律，对正弦波调制信号Ug半周内（0～180°电角），在时间轴进行若干等分，等分点数与下述存储器（EPROM）地址数相同。对应各等分点，先求出三角波载波信号U_△在对应点上的值。再根据正弦波调制信号Ug在该等分点的值与三角波载波信号U_△的值相等关系，可求出该等分点上与三角波载波信号U_△相交的正弦波调制信号Ug的幅值。然后，由求出的正弦波制信号Ug的幅值与三角波载波信号U_△的幅值相除，求出其比值。当该比值在预先确定的调制比范围△m内时，该比值就是拟事曲线U_A在该等分点的值，若该比值超出调制比范围△m时，则作如下处理：当该比值大于调制比m所预先确定的上限值时，拟合曲线U_A在该等分点上置值1，而当该比值小于调制比m所预先确定的下限值时，拟合曲线U_A在该等分点上置值0。对时间轴上各等分点，均完成上述计算工作，即可得到拟合曲线U_A的波形数据，其波形如图4-（b）中波形U_A所示。将上述计算得到的时间轴数据和对应的拟合曲线U_A数据经简单的二进制处理后，即可由存储器（EPROM）储存。

由上述计算方法得到的拟合曲线U_A用于实现正弦脉宽调制控制，还具有如下优点：

（1）本身固有地实现变换器开关功率元件最大和最小工作脉冲宽度限制，防止开关功率元件的损坏。

（2）本身固有地实现变换器输出电压限幅。

（3）可方便地对拟合曲线U_A进行人为的修正，从而对变换器开关功率元件开关延时所带来的输出电压波形畸变实现补偿，提高输出电压的波形质量。

（4）由于控制信号在正负半周内均由一个电路实现，因而不存在已有技术中因控制电路在正负半周内不对称工作所导致的变换器输出电压波形畸变。

上述计算工作可经编写专用软件借助数字计算机完成。

本发明结构方案的主要内容如图5所示，这种正弦脉宽调制（SPWM）控制电路包括：石英晶体振荡器1，二进制计数器2，存储器（EPROM）12，数-模变换器10和比较器7共五个部分组成。由石英振荡器1产生基准时钟信号，通过二进制计数器2循环计数产生周期性地址信号直接对存储器12进行寻访，该存储器周期性地送出预先储存的一组拟合曲线U_A数据至数-模变换器10，数-模变换器10将接收到的拟合曲线数据变换成拟合曲线波形信号并送至比较器7的第一输入端。同时，一个直流反馈控制信号Urb被送至比较器7的第二输入端，比较器7对接收到的二个信号进行比较后输出正弦脉宽调制（SPWM）控制信号。

如图6所示是本发明正弦脉宽调制（SPWM）控制电路电气原理图。石英晶体振荡器1包括晶振Cry、倒相器F₁和F₂、电阻R₁和R₂及电容C₁和C₂。晶振Cry的一端与倒相器F₁的输入端及电阻R₁和电容C₁的一端相连接，晶振Cry的另一端与电阻R₂和电容C₂的一端相连接，晶振Cry的外壳与地连接。电容C₁和C₂的另一端均与地连接。倒相器F₁的输出端与电阻R₁和电阻R₂的另一端相连接并将该连接端与倒相器F₂的输入端相连接。石英晶体振荡器1构成基准时钟发生电路，由倒相器F₂输出基准时钟信号并送至计数器2（IC₁）的时钟信号接收端，作为被控制恒频恒压变换器输出电压的频率基准，保证变换器输出电压频率的高稳定性。计数器2（IC1）在基准时钟信号的作用下，循环计数产生周期性地址信号用于对存储器12进行寻访。计数器2（IC1）同时还输出一个与变换器输出电压频率相同的方波信号Uos，信号Uos用于本发明实施时进行输出电压的正负半周分相控制。存储器12由一片EPROM IC2构成，其内部预先被写入了一组反映正弦脉宽调制规律的拟合曲线U_A数据。EPROM IC2被置于只读状态，由计数器2（IC1）输出的地址信号进周期性寻访，送出周期性变化的拟合曲线U_A数据。该数据共8位被送至数-模变换器10（IC₃）的数据输入端。数-模变换器包括IC₃和电阻R₃，电阻R₃的一端与数-模变换电路IC₃的二个信号输出端相连接，电阻R₃的另一端与地相连接，数-模变换器（10）在接收到存储器（12）输出的数据信号后，在电阻R₃的非接地端输出可用示波装置观察的拟合曲线U_A的波形信号。拟合曲线U_A的波形信号被送至比较器7（包括电阻R₄和R₅及比较器A）的第一（反相）输入端，同时，直流反馈控制信号Urb被送至比较器7的第二（同相）输入端，比较器7对接收到的二个信号进行比较后，输出正弦脉宽调制（SPWM）控制信号Uol。

由上述可见，本发明正弦脉宽调制（SPWM）控制电路中不再含有已有技术中的正弦波调制信号和三角波载波信号发生环节及正弦波调制信号的幅度调节环节，且电路以数字方式工作为主，因此，电路结构最简，运行稳定性好，可靠性高，抗外部干扰能力强。

参照图7说明本发明在恒频恒压电源系统的功率电路由交流-直流变换器13，直流滤波器14，恒频恒压输出直流-交流变换器15，交流滤波器16和输出隔离变压器17组成。利用本发明构成恒频恒压输出直流-交流变换器15的闭换控制系统时，须配置输出电压反馈信号整流电路18，误差信号放大电路19，逻辑综合和控制放大电路20三个基本环节。整流电路18把反馈信号转换成直流信号，该直流信号与给定信号Uref比较得到误差信号Ue，Ue经误差信号放大电路19积分放大而得到直流反馈控制信号Urb，Urb被送至本发明正弦脉宽调制（SPWM）控制电路后，得到相应正弦脉宽调制控制信号输出Uol和分相控制信号Uos，Uol、Uos波形分别如图4-（c）、（d）所示，由Uol、Uos信号经电路20逻辑综合和放大后控制直流-交流变换器工作，变换器输出幅度等于其入端直流电压，脉冲宽度随时间按正弦规律变化的电压Uo2，Uo2经简单的交流滤波器16滤波，并由输出隔离变压器17隔离变压后输出恒频恒压的正弦波交流电压Uo，Uo2，Uo波形如图4（e）所示。

本发明适用于恒频恒压输出直流-交流变换器的正弦脉宽调制控制，在不改变电路结构的条件下，只要相应的计算出有关拟合曲线存储在存储器（EPROM）中，即可实现恒频恒压输出直流-交流变换器的其它脉宽调制控制，因此，适应能力强。本发明还可用于构成其它直流-交流变换器的脉宽调制控制。

Claims

1、一种正弦脉宽调制控制电路，它包括石英晶体振荡器(1)、计数器(2)、存储器(12)、数-模转换器(10)及比较器(7)。其特征是由石英晶体振荡器(1)产生基准时钟信号，通过一个二进制计数器(2)循环计数产生周期性地址直接对存储器(12)进行寻访，该存储器周期性地送出预先储存的一组拟合曲线的数据至数-模变换器(10)，数-模变换器(10)将接收到的拟合曲线的数据变换成拟合曲线波形信号并送至比较器(7)的第一输入端，同时，一个直流反馈控制信号Urb被送至比较器(7)的第二输入端，比较器(7)对接收到的二个信号进行比较后输出正弦脉宽调制信号Uol。

2、根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于石英晶体振荡器（1）由晶振Cry、倒相器F₁和F₂、电阻R₁和R₂及电容C₁和C₂组成，晶振Cry的一端与倒相器F₁的输入端及电阻R₁和电容C₁的一端相连接，晶振Cry的另一端与电阻R₂和电容C₂的一端相连接，晶振Cry的外壳与地连接，电容C₁和C₂的另一端均与地连接，倒相器F₁的输出端与电阻R₁和电阻R₂的另一端相连接并将该连接端与倒相器F₂的输入端相连接，石英晶体振荡器（1）构成基准时钟发生电路，由倒相器F₂输出的基准时钟信号被送至计数器IC₁（2）的时钟信号接收端，作为被控制恒频恒压变换器输出电压的频率基准。

3、根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于只读存储器（12）由一片EPROMIC₂构成，其内部预先被写入了一组反映正弦脉宽调制规律的拟合曲线数据，EPROMIC₂被置于只读状态，由计数器（2）的输出作为地址信号对它直接进行寻访。

4、根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于数一模变换器（10）由数-模变换电路IC₃和电阻R₃组成，电阻R₃的一端与数-模变换电路IC₃的二个信号输出端相连接，电阻R₃的另一端与地相连接，数-模变换器（10）在接收到存储器（12）输出的数据信号后，在电阻R₃的非接地端输出可用示波装置观察的拟合曲线波形信号。

5、根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于计数器（2）在输出一组作为存储器（12）的地址信号的同时，还输出一个与恒频恒压变换器输出电压频率相同的方波信号Uos，该信号用于输出电压的正负半周分相控制。