CN110138366A - 一种信号波调制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种信号波调制方法及系统，涉及电机电器与电力电子学技术领域。该方法包括：获取待调制信号；初始化待调制信号的采样周期；按照采样周期对待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；通过采样点信号幅值得到采样周期导通的概率值；通过比较概率值和随机数得到采样周期的开关状态。该方法及系统通过采样周期的通断概率分布，确定采样周期的通断状态，与现有技术相比，在相同的采样周期下减小了开关频率，进而降低开关管的损耗。

Description

一种信号波调制方法及系统
技术领域
本发明涉及电机电器与电力电子学技术领域，特别是涉及一种信号波调制方法及系统。
背景技术
脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)控制技术通过对半导体开关器件的导通和关断进行控制，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其他所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
现有的两种随机调制方法原理是随机改变开关频率或者是脉冲位置，然而开关频率或脉冲位置的随机改变会造成开关管的损耗加大。因此，现有的随机PWM调制方法存在开关管损耗高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种信号波调制方法及系统，解决了现有的随机PWM调制方法存在损耗高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种信号波调制方法，包括：
获取待调制信号；
初始化所述待调制信号的采样周期；
按照所述采样周期对所述待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；
通过所述采样点信号幅值得到所述采样周期导通的概率值；
通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态；
按照所述开关状态对所述待调制信号进行调制。
可选的，所述通过采样信号幅值得到所述采样周期随机变量的概率值包括：
根据得到所述概率值；
其中，Pi表示所述概率值，Vi表示所述采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
可选的，所述通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态包括：
获取所述随机数；
判断所述随机数是否小于或等于所述概率值，得到判断结果；
若所述判断结果表示是，则确定所述采样周期为导通状态；
若所述判断结果表示否，则确定所述采样周期为关闭状态。
可选的，所述获取随机数具体包括：
通过随机函数获取所述随机数。
可选的，所述随机数的取值范围为(0,1]。
一种信号波调制系统，包括：
信号获取模块，用于获取待调制信号；
初始化模块，用于初始化所述待调制信号的采样周期；
信号幅值获取模块，用于按照所述采样周期对所述待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；
概率值获取模块，用于通过所述采样点信号幅值得到所述采样周期导通的概率值；
开关状态获取模块，用于通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态；
调制模块，用于按照所述开关状态对所述待调制信号进行调制。
可选的，所述概率值获取模块包括：
概率值获取单元，用于根据得到所述概率值；
其中，Pi表示所述概率值，Vi表示所述采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
可选的，所述开关状态获取模块包括：
随机数获取单元，用于获取所述随机数；
判断单元，用于判断所述随机数是否小于或等于所述概率值，得到判断结果；
导通单元，用于若所述判断结果表示是，则确定所述采样周期为导通状态；
关闭单元，用于若所述判断结果表示否，则确定所述采样周期为关闭状态。
可选的，所述随机数获取单元包括：通过随机函数获取所述随机数。
可选的，所述随机数的取值范围为(0,1]。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种信号波调制方法及系统。该方法包括：获取待调制信号；初始化待调制信号的采样周期；按照采样周期对待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；通过采样点信号幅值得到采样周期导通的概率值；通过比较概率值和随机数得到采样周期的开关状态。该方法及系统通过采样周期的通断概率分布，确定采样周期的通断状态，与现有技术相比，在相同的采样周期下减小了开关频率，进而降低开关管的损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所提供的信号波调制方法的流程图；
图2为本发明实施例1所提供的信号波调制方法的波形图；
图3为本发明实施例1所提供的面积等效原理与期望值达到面积等效的效果对比图；
图4为本发明实施例1所提供的SPWM单极性调制的电路图；
图5为本发明实施例1所提供的三角载波双极性SPWM调制与信号波调制方法的效果对比图；
图6为本发明实施例2所提供的信号波调制系统的结构图。
其中，1、调制电路；V1、第一绝缘栅双极型晶体管；V2、第二绝缘栅双极型晶体管；V3、第三绝缘栅双极型晶体管；V4、第四绝缘栅双极型晶体管；VD1、第一二极管；VD2、第二二极管；VD3、第三二极管；VD4、第四二极管；C、电容；R、电阻；L、电感。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例1所提供的信号波调制方法的流程图；图2为本发明实施例1所提供的信号波调制方法的波形图。参见图1及图2，一种信号波调制方法，包括：
步骤101，获取待调制信号。可选的通过电压传感器采集待调制信号。图2中(a)为步骤101获取的待调制信号的波形。
步骤102，初始化待调制信号的采样周期。
步骤103，按照采样周期对待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值。图2中(b)为经过步骤103采样后的各个采样周期的采样点信号幅值。
步骤104，通过采样点信号幅值得到采样周期导通的概率值。
每个采样周期的开关状态都是一个二值离散随机变量，没有占空比，只包括采样周期导通和采样周期关断两个状态。每个采样周期的离散随机变量的概率分布，可以通过待调制信号在该采样周期内的采样点信号幅值与载波信号的幅值之比确定。所有采样周期的离散随机变量组合在一起，就是整个调制过程的随机变量组合，即调制所得的PWM信号。
第i个采样周期内的，离散随机变量Ui的概率分布函数为：
Pr(Ui＝Von)＝Pi，Pr(Ui＝Voff)＝1-Pi，0≤Pi≤1；
上式中，Pr(Ui＝Von)表示采样周期导通状态的概率，Pr(Ui＝Voff)表示采样周期关断状态的概率，Pi表示采样周期导通的概率值。
则步骤104具体包括：根据得到概率值。
其中，Pi表示采样周期导通的概率值，Vi表示采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
Von表示开关管导通：当开关管的触发信号为高电平时开关管导通。Voff表示开关管关断：当开关管的触发信号为低电平时开关管关断。
Von与Voff也可以表示对应于调制出来的PWM波在当前时刻的电平值，即当开关管的触发信号为高电平时Von＝1，当开关管的触发信号为低电平时Voff＝0。例如：Von表示开关管导通时的电平值，Voff＝0。
本实施例1提供两种当Von与Voff应用于电路和调制方法时高低电平状态的具体实施方式：
实施方式一：直流变换电路时，Von＝1，表示触发信号为高电平；Voff＝0，表示触发信号为低电平。
实施方式二：逆变电路时，采用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse WidthModulation，SPWM)的单极性调制时：
正弦调制波值为正的情况下，当前采样周期内，Von＝1，表示触发信号为高电平；Voff＝0，表示触发信号为低电平。此时PWM信号的导通的概率值Pi＝|Von|＝1，关断的概率值1-Pi＝0。
正弦调制波值为负的情况下，当前采样周期内，Von＝-1，表示触发信号为高电平；Voff＝0，表示触发信号为低电平。此时PWM信号的导通的概率值Pi＝|Von|＝1，关断的概率值1-Pi＝0。
步骤105，通过比较概率值和随机数得到采样周期的开关状态。
步骤105具体包括：
获取随机数。获取随机数具体包括：通过随机函数获取均匀分布的随机数。随机数的取值范围为(0,1]。本实施例1的步骤105还可采用伪随机数生成方法生成的伪随机数代替随机数，与概率值进行比较得到采样周期的开关状态。
判断随机数是否小于或等于概率值，得到判断结果。
若判断结果表示是，则确定采样周期为导通状态，输出Von。
若判断结果表示否，则确定采样周期为关闭状态，输出Voff。
图2中(c)为经过步骤104-105调制后的信号波形。
本实施例1的信号波调制方法使概率的期望值达到面积等效，图3为本发明实施例1所提供的面积等效原理与期望值达到面积等效的效果对比图；参见图3，图3(a)和图3(c)为同一待调制正弦信号的调制波，图3(b)为图3(a)经过现有的面积等效原理得到的PWM信号。图3(d)为图3(c)经过本实施例1的信号波调制方法得到的信号，图3(d)中间的深色阴影表示导通的概率大，两边的浅色阴影表示导通的概率小。图3中ωt表示时间，单位为秒；u表示电压幅值，单位为伏特；O表示原点。通过图3可以看出本实施例1的信号波调制方法与现有技术相比，在相同的采样周期下减小了开关频率，进而降低了开关管的损耗。
步骤106，按照开关状态对待调制信号进行调制。步骤106具体包括：根据采样周期的开关状态确定开关管的导通和关断，得到负载的输出电压，即调制后的信号。
本实施例1还提供一种按照开关状态进行调制的具体实施方式。图4为本发明实施例1所提供的SPWM单极性调制的电路图。参见图4，本实施方式将采用信号波调制方法应用于H型单相逆变电路正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)的单极性调制。本实施例1中的开关管为图4中的第一绝缘栅双极型晶体管V1、第二绝缘栅双极型晶体管V2、第三绝缘栅双极型晶体管V3和第四绝缘栅双极型晶体管V4。参见图4，调制电路1应用本实施例1所提供信号波调制方法将输入的待调制信号电压ur和载波电压uc进行调制后，控制第一绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)V1、第二绝缘栅双极型晶体管V2、第三绝缘栅双极型晶体管V3和第四绝缘栅双极型晶体管V4的开通和关断。第一绝缘栅双极型晶体管V1、第二绝缘栅双极型晶体管V2、第三绝缘栅双极型晶体管V3和第四绝缘栅双极型晶体管V4的门极均与调制电路电连接。第一二极管VD1的正极与V1的发射极连接，负极与V1的集电极连接；第二二极管VD2的正极与V2的发射极连接，负极与V2的集电极连接；第三二极管VD3的正极与V3的发射极连接，负极与V3的集电极连接；第四二极管VD4的正极与V4的发射极连接，负极与V4的集电极连接。V1的发射极与V2的集电极连接；V3的发射极与V4的集电极连接。V1的集电极、V3的集电极分别与电容C的正极连接，V2的发射极、V4的发射极分别与电容C的负极连接。电阻R的一端与V1的发射极连接，电阻R的另一端与电感L的一端连接，电感L的另一端V3的发射极连接。电路中电容C表示稳定的直流电源，Ud表示直流电源的电压；电阻R表示负载，u0表示负载的输出电压。
在待调制信号的正半周期，V1处于导通状态，V4交替通断，即当步骤105输出Von时，V4导通；输出Voff时，V4关断。当V1和V4均导通时，负载上所加的电压为直流电源电压Ud。当V1导通而V4关断时，由于电感L和负载中的电流不能突变，所以负载中的电流将通过VD3进行续流，此时负载上所加的电压u0为零。若负载电流较大，则在V4再一次导通之前，VD3持续导通。若负载电流较快地衰减到零，则在V4再一次导通之前，负载电压u0也一直为零。如此负载上的输出电压u0就可得到零和Ud交替的两种电平。
在待调制信号的负半周期，V2处于导通状态，V3交替通断，即当步骤105输出Von时，V3导通；输出Voff时，V3关断。当V2和V3均导通时，负载所加的电压为的负直流电源电Ud，即-Ud。当V2导通而V3关断时，由于电感L和负载中的电流不能突变，所以负载中的电流将通过VD4续流，此时负载上所加的电压u0为零。如此负载上的输出电压u0可得到-Ud和零两种电平。
综上，在一个周期内H型单相逆变电路输出的PWM波形包括：Ud、-Ud和0三种电平。
图5为本发明实施例1所提供的三角载波双极性SPWM调制与信号波调制方法的效果对比图。参见图5，ωt表示时间，单位为秒；u表示电压幅值，单位为伏特；O表示原点；ur表示信号波电压；uc表示载波电压；u0表示负载的输出电压，Ud表示当u0等于直流电源的电压Ud时负载的输出电压；u0f表示u0的基波分量。图5(a)和图5(c)的ur为同一待调制正弦信号的调制波，图5(b)为图5(a)经过现有的三角载波双极性SPWM调制得到的PWM信号可以看出信号的起伏波动较多，即开关管开通关断的次数较多；图5(d)为图5(c)经过本实施例1的信号波调制方法得到的信号可以看出信号的起伏波动较少，即开关管开通关断的次数较少。通过图5可以看出本实施例1的信号波调制方法与现有技术相比，在相同的采样周期下减小了开关频率，进而降低了开关管的损耗。
本实施例1的信号波调制方法通过采样周期的通断概率分布，确定采样周期的通断状态，与现有技术相比，在相同的采样周期下减小了开关频率，进而降低开关管的损耗。另外，该方法的待调制信号的波形可以为任意形状，基波在本方法中只是为了对应于现有的PWM调制方法所构造的一种虚构的波，在本实施例1中只需要设定一个恒定值当作做基波幅值，即可采用本实施例1的信号波调制方法进行调制。
实施例2
图6为本发明实施例2所提供的信号波调制系统的结构图。参见图6，一种信号波调制系统，包括：
信号获取模块201，用于获取待调制信号。
初始化模块202，用于初始化待调制信号的采样周期。
信号幅值获取模块203，用于按照采样周期对待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值。
概率值获取模块204，用于通过采样点信号幅值得到采样周期导通的概率值。
概率值获取模块204包括：
概率值获取单元，用于根据得到概率值；
其中，Pi表示采样周期导通的概率值，Vi表示采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
开关状态获取模块205，用于通过比较概率值和随机数得到采样周期的开关状态。
开关状态获取模块205包括：
随机数获取单元，用于获取随机数。随机数获取单元包括：通过随机函数获取均匀分布的随机数，或采用伪随机数生成方法生成的伪随机数代替随机数。随机数的取值范围为(0,1]。
判断单元，用于判断随机数是否小于或等于概率值，得到判断结果。
导通单元，用于若判断结果表示是，则确定采样周期为导通状态。
关闭单元，用于若判断结果表示否，则确定采样周期为关闭状态。
调制模块206，用于按照开关状态对待调制信号进行调制。调制模块206具体包括：
调制单元，用于根据采样周期的开关状态确定开关管的导通和关断，得到负载的输出电压，即调制后的信号。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种信号波调制方法，其特征在于，包括：
获取待调制信号；
初始化所述待调制信号的采样周期；
按照所述采样周期对所述待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；
通过所述采样点信号幅值得到所述采样周期导通的概率值；
通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态；
按照所述开关状态对所述待调制信号进行调制。
2.根据权利要求1所述的信号波调制方法，其特征在于，所述通过采样信号幅值得到所述采样周期随机变量的概率值包括：
根据得到所述概率值；
其中，Pi表示所述概率值，Vi表示所述采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
3.根据权利要求1所述的信号波调制方法，其特征在于，所述通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态包括：
获取所述随机数；
判断所述随机数是否小于或等于所述概率值，得到判断结果；
若所述判断结果表示是，则确定所述采样周期为导通状态；
若所述判断结果表示否，则确定所述采样周期为关闭状态。
4.根据权利要求3所述的信号波调制方法，其特征在于，所述获取随机数具体包括：
通过随机函数获取所述随机数。
5.根据权利要求3所述的信号波调制方法，其特征在于，所述随机数的取值范围为(0,1]。
6.一种信号波调制系统，其特征在于，包括：
信号获取模块，用于获取待调制信号；
初始化模块，用于初始化所述待调制信号的采样周期；
信号幅值获取模块，用于按照所述采样周期对所述待调制信号进行采样，得到采样点信号幅值；
概率值获取模块，用于通过所述采样点信号幅值得到所述采样周期导通的概率值；
开关状态获取模块，用于通过比较所述概率值和随机数得到所述采样周期的开关状态；
调制模块，用于按照所述开关状态对所述待调制信号进行调制。
7.根据权利要求6所述的信号波调制系统，其特征在于，所述概率值获取模块包括：
概率值获取单元，用于根据得到所述概率值；
其中，Pi表示所述概率值，Vi表示所述采样信号幅值，Vc表示载波幅值。
8.根据权利要求6所述的信号波调制系统，其特征在于，所述开关状态获取模块包括：
随机数获取单元，用于获取所述随机数；
判断单元，用于判断所述随机数是否小于或等于所述概率值，得到判断结果；
导通单元，用于若所述判断结果表示是，则确定所述采样周期为导通状态；
关闭单元，用于若所述判断结果表示否，则确定所述采样周期为关闭状态。
9.根据权利要求8所述的信号波调制系统，其特征在于，所述随机数获取单元包括：通过随机函数获取所述随机数。
10.根据权利要求8所述的信号波调制系统，其特征在于，所述随机数的取值范围为(0,1]。
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