CN1041853A - 脉宽调制信号发生器 - Google Patents
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Abstract
脉宽调制(PWM)信号发生器,由三相方波发生器1、三分环形计数器2和逻辑门电路3组成,其特征是由输入频率fi和控制频率fk两种不同频率的方波组成逻辑门电路;属于交流电机传动PWM变频调速系统。本发明按移相原理研制而成,只约需100门电路或500个晶体管,成本只占国外成本的20~30%。输出频率可从0~300Hz。由本发明为主要部分组成的PWM变频器,输出功率可以从0.1KW(单相)至兆瓦级(三相)。
Description
本发明属于交流电机调速传动脉宽调制(PWM)变频调速系统的PWM信号发生器。
目前广泛采用的是一种正弦波脉宽调制法(SPWM)即用等腰三角形的载波和参考正弦波相比较,其交点确定换流点的方法。这种方法,载波和参考正弦波必须同步,且保持为参考波频率的偶数倍,以改善输出波形的谐波含量,此法比较复杂。为了简化控制系统,近几年国内外采取许多新方法,如采用具有饱和幅值三角载波的PWM逆变器,它不需要对载波与参考波进行同步,使控制系统得到简化,但获得PWM模型,仍然采用了SPWM法或梯形波与三角载波相比较的复杂方法。在八十年代前后,英国麦纳德(MULLARD)公司,按SPWM原理研制了大规模集成电路构成的全数字化PWM信号发生器,使用了大约1500个门电路,型号为HEF4752V。之后日本日立公司也研制了专门和微处理机相配合,用于产生PWM信号和实现其它转换、保护、调节功能的大规模集成电路(LSI),在一片6.0mm×6.1mm的大规模集成块上,有大约9000个金属氧化半导体晶体管。
本发明的目的在于提供一个按照连续移相原理研制成功的新型PWM信号发生器。比用正弦波脉宽调制法原理研制的PWM信号发生器简单得多。
本发明的目的是通过以下方法来达到的。就是按已申请专利“交流电机两重式交交变频调速装置”(申请号86106905)的移相原理,获得对交直交PWM逆变器新的调制方法,并保持输出波形接近正弦。
实践已经证明若电源输入频率为fiHz,移相频率(或控制频率)为fkHz,则输出频率fo以Hz计为:fo=fi-fk,即输出频率fo为电源频率fi和移相频率fk的代数和。连续移相控制,实际上就是两种不同频率fi和fk的方波的逻辑组合。应用这个原理和方法可以很方便地设计出一种由三相方波发生器。三分频环形计数器和逻辑门电路组成的新型PWM信号发生器。由于PWM逆变器的电源电压是直流,因此在控制电路中可以任意选择输入频率fi的频率数值。三相方波即三个互差120°电角的方波,它的频率是平滑可调的,这比正弦波发生器要简单得多,且不需要调节它的幅值。三分频环形计数器是一个典型的电路,它和三相方波发生器由共同的直流电压ug来控制。由电源输入频率fi和控制频率fk两种不同频率的方波组成的逻辑门电路,经典型的大功率晶体管的基极驱动电路,即可实现PWM变频。当单项输出时可采用一对晶体管的主回路,当三相输出时可采用通用的桥式逆变器电路。
本发明比现有技术有以下优点:1、调制电路比目前已知的各种方法都简单得多,若采用大规模集成电路设计这种PWM信号发生器,只需大约100个门电路或500个晶体管即可实现,因而生产成本仅占国外的20~30%;2、同一种比SPWM法谐波幅值更低的梯形波调制法比较,本发明的各次谐波含量都较低。且连续移相法所取Np=48,而梯形波调制法所取Np=8.3(见美国电气与电子工程师学会期刊杂誌工业应用卷,21期第5号,1985年1193页,原文IEEE、Trans.voIIA-21 NO.5 sepf/ocf.1985)因Np越大,谐波必然越小,所以连续移相法具有明显的优越性。3、只要给定任一输出频率fo和输出电压波每半周的脉冲数Np,则控制频率fk和输出频率fi均可由简单公式算出;而且输出频率fo与控制频率fk,输入频率fi都是线性关系,从而使控制电路更简化。
以下将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为脉宽调制(PWM)信号发生器的框图
图中:1是三相方波发生器;2是三分频环形计数器;3是逻辑门电路;4是功率晶体管基极驱动电路;5是主回路;ug是直流控制电压;H1、H2、H3是环形计数器输出的三个方波;A+、B+、C+和A-、B-、C-为三相方波;y+、y-是逻辑门电路输出方波;T1、T2是晶体管。
图2、是脉宽调制(PWM)信号发生器的波形。
图中符号:fo-输出频率;Np-输出电压每半周的脉冲数;fk-移相频率或称控制频率;Wk-控制方波宽;fi-输出频率;Wi-输出方波宽。
图3、是脉冲数Np为15时有关部分波形
图中符号:u、v、w-输出电压相;图中其它符号同前。
图4、是获得单极性的脉冲例
图5、为6相6脉冲PWM控制图
图6、为各种输出频率时,保持Np不变,fo、fk、fi的线性关系
图7、为输出电压每半周的脉冲数Np
参照图1、一个频率为fi可平滑调节的三相方波发生器1,产生三个互差120°电角的方波,且不需调它的幅值。一个三分频环形计数器2,是个典型电路。1和2由共同的直流电压ug来控制。一个简单的逻辑门电路3,是PWM波的脉冲形成环节,其中环形计数器输出的三个方波H1、H2、H8(它们的宽度都等于Wk)分别同三相方波A+、B+、C+和A-、B-、C-相与(三相方波的宽度都等于Wi),这个电路实际上是一个与或门,只要其中任意一个与门的两个输入端为1,即可在输出端y+或y-获得高电位的输出。大功率晶体管的基极驱动电路4、是通用的典型电路。主回路5,它是单相输出的一对晶体管。若三相输出时,主回路5可采用通用的桥式逆变器电路。
参照图2,假定输出频率fo=50Hz,输出电压每半周的脉冲数Np=6,则根据移相原理导出的公式:fk= 2/3 fo×Np可得控制频率fk=200Hz,控制方波宽Wk=30°,输入频率fi=150Hz,输出方波宽Wi=60°,按此结果可以获得各有关部分的波形。第1栏的输入频率fi为150Hz,相对应的方波宽Wi为60°,其中A+、B+、C+为正半波、A-、B-、C-为负波,A、B、C之间均相差40°电角(如按150Hz每半周宽为180°,则A、B、C相差120°)采用A、B、C来表示三相输入方波的原因是仍然与三相交流电压的习惯用法一致。图中第2栏为控制频率fk=200Hz,相对应的控制方波宽Wk=30°,分别以H1、H2、H8表示,它实际上是一个三分频环形计数器的输出方波。图中第3栏为H1、H2、H3,分别同A+、B+、C+经与门后的输出方波,即H1同A+相与,H2同B+相与,H8同C+相与,然后经或门输出,其输出方波示于图中的第3栏。这个输出方波实际上就是图1中3的输出端y+。同样,H1同A-相与,H2同B-相与,H3同C-相与,然后经或门输出的方波,即为图1中3的输出端y-,也就是图中第4栏所示的输出波形。这两个输出方波y+和y-经隔离功放后,即分别驱动两只大功率晶体管的基极,于是在图1中主回路5的负载L两端便出现PWM的电压波形,如图中第5栏所示。从这个输出电压波可以看出,输出电压从中性点至波峰正好是90°(π/2)。图2是一个简单例子,用以说明其工作原理。
参照图3,为获得实用的输出波形,输出电压每半周的脉冲数Np应尽可能大一些。设所需fo=16.7Hz,Np=15,则fk=166.7Hz,Wk=36°,fi=150Hz,Wi=60°。将上述数值绘出波形,图中第1栏分别绘出三相方波A、B、C,其宽度均为Wi=60°。图中第2栏为三分频环形计数器的输出方波H1、H2、H3,其宽度Wk均为36°。图中第3栏为u相输出电压波形。图中第4.5两栏分别为V和W两相的输出电压波形。这后两相电压是按第3栏u相同原理获得的,仅仅只需将环形计数器的输出方波H1、H2、H3,由原来分别相与的A、B、C,改为B、C、A(获得V相输出电压),或改为C、A、B(获得W相输出电压)。由图解分析可知,输出三相电压波相互之间正好差120°电角。由于是以50Hz的电角计,故当fo=16.7Hz时,在图3中量出的电角度正好大了3倍(360°)。实际上Np还应再大一些,但图解分析在绘制上比较烦琐,又因为按移相原理已能准确地推导出在各种不同输出频率fo和输出电压每半周脉冲数Np以及与之相对应的fk、Wk、fi、Wi的数值,在此不赘述。
当m=3,Np=15,fo=16.7Hz时,其输出电压各次谐波含量列于表1。
表1
参照图4,本图是获得单极性的脉冲例,这仅需要将前面列举的三相脉冲控制方式中的输入方波Wi,经过适当延时即可。例如,设fo=50Hz,Np=9,则fk=300Hz,Wk=20°,fi=250Hz,Wi=36°。现在将Wi=36°经过延时,去掉方波前沿12°,即假定延去部分为Wy,则Wy=12°,图解分析见本图。从图中可以明显地看出,Wi经延时后,输出的波形就成为单极性了。且u、v、w三相输出电压正好相差120°电角。
参照图5,本图说明6相6脉冲也可以实PWM控制。当m=6时,设fo=25Hz,Np=48,则fk=400Hz,Wk=7.5°,fi=375Hz,Wi=24°。按上述数值绘出PWM信号发生器各有关部分的波形示于图5。图中第1栏为输入方波,其频率fi=375Hz,方波宽Wi=24°,分别以A+、A-、B+、B-、C+、C-表示,这些方波的电角关系相当于一个六相方波电压,其相序为A+、C-、B+、A-、C+,所有方波宽Wi都是24°(以50Hz的电角度计)。故当方波A+从0°开始时,C-就从8°开始,B+从16°开始,以此类推,即按相序每隔8°一个方波。由于每个方波有适当的延时,所以在图中已表示出三种不同的延时,若延时部分的宽度为Wy,则图中列举了三种不同的延时,即wy=5°,Wy=8°,Wy=10°。图中第二栏为六分频环形计数器的输出方波,分别以H1、H2、H3、H4、H5、H6表示。这些方波的重复频率fk=400Hz,宽Wk=7.5°,其中H1总是只同A+或A-相与,同A+相与时,输出的方波经隔离功放后,即作为驱动正端晶体管T1基极的脉冲,反之,H1同A-相与时,输出的方波经隔离功放后,即作为驱动负端晶体管T4基极的脉冲。同样,H2同C-相与时,输出的方波经隔离功放后,即作为驱动正端晶体管T1基极的脉冲,H2同C+相与,输出的方波经隔离功放后,即作为驱动负端晶体管T4基极的脉冲,如此类推。图中第三栏为PWM信号发生器输出方波,经隔离功放后,分别驱动晶体管T1和T4时的主电路输出电压波形。输出频率fo=25Hz,Np=48,其中Wy=5°。表示第1栏所有的方波均延时5°。图中第4和第5栏,分别为延时Wy=8°和Wy=10°的输出电压波形。从这些波形可以看出,不同的延时可以起到调压的作用,即延时越大,输出电压越低,且不同延时后的电压波形,每1/4周波都是对称的。
当m=6,Np=48,fo=25Hz时其输出电压各次谐波含量列于表2。表中的比值 (WQ)/(Wi) 即为调制系数,其中WQ=Wi-Wy。从表中可知,当调制系数越接近1时,各次谐波含量就越小,但即使在调压时需要减少这个系数,各次谐波含量只稍增加。
参照图6,说明在输出各种频率时,保持Np不变,则fo与fk、fi为线性关系。此时无论输出频率为任意数值,Np均为整数不变,这就使得输出电压的谐波含量降低。图中左边两根直线表示m=6,Np=48时,fo和fk、fi的关系。图中右边两根直线表示,m=3,Np=48时,fo和fk、fi的关系。
参照图7,说明输出电压每半周的脉冲数Np,在实际上应当随输出频率而变化。在图中列出了输出频率fo从1Hz至50Hz变化时,Np从1200至24变化的关系曲线,图中m=3,虚线表示fi的线性变化,相对应的fk由实线表示。
Claims (4)
1、一个由三相方波发生器1三分环形计数器2和逻辑门电路3组成的脉宽调制(PWM)信号发生器,其特征是由输入频率fi和控制频率fk两种不同频率的方波组成的逻辑门电路3。
2、按权利要求1所述脉宽调制信号发生器,其特征是由于逆变器的电源是直流,故在控制电路中可任意选择输入频频fi的数值。
3、按权利要求1、2所述脉宽调制信号发生器,其特征是由输入频率fi所确定的三相方波发生器1为三组互差120°电角的方波,每组方波的正半波和负半波是分开的,且其前沿是可调的。
4、按权利要求1、2所述脉宽调制信号发生器,其特征是三分频环形计数器2的输出方波频率fk与三相方波1的频率fi两种方波不同频率的变化是线性的。
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CN1060603C (zh) * | 1995-09-14 | 2001-01-10 | 明碁电脑股份有限公司 | 一单稳信号产生装置 |
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1988
- 1988-10-12 CN CN 88107180 patent/CN1018600B/zh not_active Expired
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