CN115037176A - 一种高精度模拟正弦波调制算法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及逆变器技术领域，提供一种高精度模拟正弦波调制算法、系统及存储介质，基于现有的逆变器成本与运算能力的兼容需要，设计了预设调制算法计算出目标弧度，进而根据目标弧度输出对应的目标正弦载波，控制逆变电路进行脉宽调制，基于实际调制过程中，正弦波输出误差主要集中在不完全的4分之一周期内，对每一目标弧度进行4分之一周期的取余计算，获取到对应的误差变量，进而根据误差变量进行计算输出对应的目标正弦载波的补偿变量，从而优化逆变电路的正弦波调制进程，进一步地将正弦波交流电的输出误差百分比降低至百分之5以下，如此可保证输出电流和输出电压的稳定性，大幅度提升用电设备的工作性能、耐久度。

Description

一种高精度模拟正弦波调制算法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种高精度模拟正弦波调制算法、系统及存储介质。
背景技术
逆变器的功能为把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v50HZ正弦或方波)的装置。通俗的讲，逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
按波弦性质分类，逆变器包括正弦波逆变器、方波逆变器。正弦波逆变器输出的是正弦波交流电。在正弦波逆变系统中，需要把输入的直流电经过正弦调制后，转换成交流电输出。现有技术中的逆变器，主要采用查表法和泰勒级数展开来计算出正弦值，然后再根据正弦值进行脉宽调制，输出即为交流电。
以上两种方式优缺点如下；
1、查表法的优点是速度快，计算量小，确点是占用程序空间大；
2、泰勒级数展开，优点是占用空间比查表小，缺点是计算量大，对芯片计算能力有要求。
3、正弦调制算法的运行效率高，但是精度较差，误差较大，无法实现精准输出控制。
目前市面上的芯片价格普遍过高，因此局限于生产成本，客户无法得到高算力、大空间的芯片，且常规方波(也叫修正波)调制算法，精度较差，误差较大，无法实现精准输出控制，因此也就无法提高逆变器的工作效率，且存在较大的安全隐患。
发明内容
本发明提供一种高精度模拟正弦波调制算法、系统及存储介质，解决了现有的逆变器处理芯片价格过高，导致生产成本与工作效率（即运算能力）不兼容，以及现有的方波（也叫修正波）逆变器输出控制误差较大存在安全隐患的技术问题。
为解决以上技术问题，本发明提供一种高精度模拟正弦波调制算法，包括MCU及与其连接的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接直流电源；
所述MCU用于根据预设调制算法计算出目标弧度，进而根据所述目标弧度输出对应的目标正弦载波；
所述逆变电路用于根据所述目标正弦载波进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电；
所述脉宽调制的计算公式如下：
Figure 279158DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 786363DEST_PATH_IMAGE002
为正弦波交流电的电压值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为直流电源的电压值，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为逆变电路的目标弧度。
本基础方案基于现有的逆变器成本与运算能力的兼容需要，设计了预设调制算法计算出目标弧度，进而根据所述目标弧度输出对应的目标正弦载波，控制逆变电路进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电，算法简单、计算量小、运行效率高，因此可采用程序空间较小运行速度慢的处理芯片，即可实现低成本、高效率的逆变交流输出。
在进一步的实施方案中，所述根据预设调制算法计算出目标弧度具体为：
A、根据所述逆变电路的载波频率和逆变频率，确定每一逆变周期内的载波总数；
B、根据所述载波总数划分出每一载波的目标角度变量；
C、根据所述目标角度变量，确定每一逆变周期内所述逆变电路的弧度值的变化规律；
D、根据所述变化规律及当前的时间阶段，计算所述目标弧度。
在进一步的实施方案中，所述步骤C包括：
C1、根据所述载波总数，将每一逆变周期均等份划分为多个时间阶段；
C2、计算每一所述时间阶段与所述目标角度变量的第一函数关系公式；
C3、将所述第一函数关系公式代入正弦公式，得到每一周期内每一所述时间阶段的弧度值，并建立第二函数关系公式。
本方案着手于脉宽调制中弧度值的周期变化，反向计算出每一周期各个的时间阶段中逆变器的弧度值，缩短计算时间，从而可快速地输出正弦波交流电。
在进一步的实施方案中，在所述步骤C2中，当将每一载波对应一时间阶段时，所述第一函数关系公式如下：
Figure 389382DEST_PATH_IMAGE006
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，n载波总数。
本方案设置每一载波对应一时间阶段，进行弧度分配以及弧度值计算，可降低弧度值的计算难度，提高计算效率。
在进一步的实施方案中，在所述步骤C2中，所述第二函数关系公式如下：
当所述时间阶段为所述逆变周期的正半周时，即0≤X<
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，则，
Figure 829591DEST_PATH_IMAGE008
；
当所述时间阶段为所述逆变周期的负半周时，即
Figure 305703DEST_PATH_IMAGE007
≤X<n，则，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，
Figure 831362DEST_PATH_IMAGE010
为补偿变量，
Figure 67434DEST_PATH_IMAGE012
，n为载波总数。
在进一步的实施方案中，所述补偿变量的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 237515DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
为误差变量，%为取余计算符，>>为右移计算符号。
本方案基于实际调制过程中，正弦波输出误差主要集中在不完全的4分之一周期内，对每一目标弧度进行4分之一周期的取余计算，获取到对应的误差变量，进而根据误差变量进行计算输出对应的目标正弦载波的补偿变量，从而优化逆变电路的正弦波调制进程，进一步提高正弦波交流电的输出控制精度。
本发明还提供一种高精度模拟正弦波调制系统，包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行上述的一种高精度模拟正弦波调制算法。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于实现上述一种高精度模拟正弦波调制算法。其中，存储介质可以是磁碟、光盘、FLASH，只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)或者随机存取器(RandomAccessMemory，RAM)等。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法中的正弦波交流电的输出示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法与现有技术算法的部分数据对照表；
图3是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法与现有技术算法的部分数据对照表；
图4是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法与现有技术算法的部分数据对照表；
图5是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法与现有技术算法的部分数据对照表；
图6是本发明实施例提供的正弦波标准调制图；
图7是本发明实施例提供的现有技术算法实现的正弦波调制图；
图8是本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法实现的正弦波调制图；
其中：MCU1，逆变电路2。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
实施例1
本发明实施例提供的一种高精度模拟正弦波调制算法，如图1所示，在本实施例中，包括MCU1及与其连接的逆变电路2，逆变电路2的输入端连接直流电源；
MCU1用于根据预设调制算法计算出目标弧度，进而根据目标弧度输出对应的目标正弦载波；
逆变电路2用于根据目标正弦载波进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电。在本实施例中的逆变电路2为常规的逆变桥电路，因此在本发明实施例中不再赘述。
脉宽调制的计算公式如下：
Figure 805900DEST_PATH_IMAGE016
……（1）；
其中，
Figure 412330DEST_PATH_IMAGE002
为正弦波交流电的电压值，
Figure 560415DEST_PATH_IMAGE003
为直流电源的电压值，
Figure 319423DEST_PATH_IMAGE005
为逆变电路2的目标弧度，0≤
Figure 527551DEST_PATH_IMAGE018
。
在本实施例中，根据预设调制算法计算出目标弧度具体为：
A、根据逆变电路2的载波频率和逆变频率，确定每一逆变周期内的载波总数。
在本实施例中，设逆变频率为Fb（基波频率），载波频率为Fc，则可定义整个周期的载波个数n=
Figure 496644DEST_PATH_IMAGE019
。即每个载波，逆变器输出旋转
Figure 811868DEST_PATH_IMAGE020
个弧度，n个载波刚好旋转一周（圈）。
B、根据载波总数划分出每一载波的目标角度变量；
C、根据目标角度变量，确定每一逆变周期内逆变电路2的弧度值的变化规律，包括步骤C1~C2：
C1、根据载波总数，将每一逆变周期均等份划分为多个时间阶段；
C2、计算每一时间阶段与目标角度变量的第一函数关系公式。
在本实施例中，当将每一载波对应一时间阶段时，第一函数关系公式如下：
Figure 815597DEST_PATH_IMAGE021
……（2）；
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，n载波总数。
本实施例设置每一载波对应一时间阶段，进行弧度分配以及弧度值计算，可降低弧度值的计算难度，提高计算效率。
C3、将第一函数关系公式代入正弦公式，得到每一周期内每一时间阶段的弧度值，并建立第二函数关系公式。
在本实施例中，第二函数关系公式如下：
当时间阶段为逆变周期的正半周时，即0≤X<
Figure 194625DEST_PATH_IMAGE007
，则，
Figure 526381DEST_PATH_IMAGE008
……（3）；
当时间阶段为逆变周期的负半周时，即
Figure 16268DEST_PATH_IMAGE007
≤X<n，则，
Figure 733557DEST_PATH_IMAGE009
……（4）；
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，
Figure 283487DEST_PATH_IMAGE010
为补偿变量，
Figure 227172DEST_PATH_IMAGE012
（N为整数），n为载波总数。
在本实施例中，补偿变量的计算过程如下：
第一步、获取每一时间阶段中产生误差的误差变量；
Figure 396116DEST_PATH_IMAGE013
……（5）；
在正弦波的每一逆变周期内，任一时间阶段内的所有4分之一周期的目标角度变量是固定的，因此产生误差的区域为在绝对值小于
Figure 108858DEST_PATH_IMAGE022
范围内的载波为实际的误差变量。
第二步，根据误差变量计算补偿变量；
Figure 564110DEST_PATH_IMAGE014
……（6）；
其中，
Figure 621190DEST_PATH_IMAGE015
为误差变量，%为取余计算符，>>为右移计算符号。
例如，当
Figure 718459DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 161072DEST_PATH_IMAGE023
，则当时间阶段为逆变周期的正半周，
Figure 52805DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 705503DEST_PATH_IMAGE015
=
Figure 731097DEST_PATH_IMAGE025
；
则，
Figure 887272DEST_PATH_IMAGE026
。最后将补偿变量代入公式（3）即可计算出目标弧度。
本实施例基于实际调制过程中，正弦波输出误差主要集中在不完全的4分之一周期内，对每一目标弧度进行4分之一周期的取余计算，获取到对应的误差变量，进而根据误差变量进行计算输出对应的目标正弦载波的补偿变量，从而优化逆变电路的正弦波调制进程，进一步地将正弦波交流电的输出误差百分比降低至百分之5以下，如此可保证输出电流和输出电压的稳定性，大幅度提升用电设备的工作性能、耐久度（使用寿命）。
参见图2~图5，以正半周为例，附图为载波总数为200的数据；
Figure 949906DEST_PATH_IMAGE028
为表示当前的时间阶段的变量；
Figure 965266DEST_PATH_IMAGE029
；
模拟的正弦值=
Figure 404338DEST_PATH_IMAGE030
差值S为现有技术模拟的正弦值与标准正弦值的差值；
F1为现有技术的误差百分比。
Figure 569347DEST_PATH_IMAGE031
；
Figure 802882DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 430172DEST_PATH_IMAGE033
;
Delta=
Figure 282722DEST_PATH_IMAGE035
-标准正弦值；
Delta为模拟正弦值和实际正弦的差值；
F2为本实施例的误差百分比。
根据数据对比，可知本实施例计算得到目标弧度图，其误差百分比最高不到百分之5；对比现有技术计算得到的目标弧度，其误差百分比最高接近百分之7，对比可知本实施例误差更小，精度更高。
参见图8，本实施例计算得到目标弧度绘制图，对比图7中现有技术计算得到的目标弧度绘制图，图8更接近图6中的正弦波标准调制图。
本实施例着手于脉宽调制中弧度值的周期变化，反向计算出每一周期各个的时间阶段中逆变器的弧度值，缩短计算时间，从而可快速地输出正弦波交流电。
D、根据变化规律及当前的时间阶段，计算目标弧度。
在本实施例中，具体的正弦波交流电的输出过程如下：
以正弦波交流电的初相位为0为例，此时X初值为0，MCU1将直接根据公式（3）计算出目标弧度，每经过一个时间阶段则X+1，进而根据公式（1）输出对应的目标正弦载波；
例如，当
Figure 679068DEST_PATH_IMAGE005
=0，则X=0，sin(
Figure 83505DEST_PATH_IMAGE005
)=0；
当
Figure 322725DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 838020DEST_PATH_IMAGE036
，则X=
Figure 229818DEST_PATH_IMAGE022
，sin(
Figure 805156DEST_PATH_IMAGE005
)=1；
当
Figure 407039DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 352123DEST_PATH_IMAGE037
，则X=
Figure 723062DEST_PATH_IMAGE038
，sin(
Figure 469301DEST_PATH_IMAGE005
)=-1。
逆变电路2用于根据目标正弦载波进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电。
当逆变周期进入负半周时，MCU1将直接根据公式（4）计算出目标弧度，同理，每经过一个时间阶段则X+1，进而根据公式（1）输出对应的目标正弦载波。
本发明实施例基于现有的逆变器成本与运算能力的兼容需要，设计了预设调制算法计算出目标弧度，进而根据目标弧度输出对应的目标正弦载波，控制逆变电路2进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电，算法简单、计算量小、运行效率高，因此采用程序空间较小的处理芯片，即可实现低成本、高效率的逆变交流输出。
实施例2
本发明实施例还提供一种高精度模拟正弦波调制系统，包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行上述的一种高精度模拟正弦波调制算法。
实施例3
本发明实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于实现上述实施例1提供的一种高精度模拟正弦波调制算法。其中，存储介质可以是磁碟、光盘、FLASH，只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)或者随机存取器(RandomAccessMemory，RAM)等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度模拟正弦波调制算法，其特征在于：包括MCU及与其连接的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接直流电源；
所述MCU用于根据预设调制算法计算出目标弧度，进而根据所述目标弧度输出对应的目标正弦载波；
所述逆变电路用于根据所述目标正弦载波进行脉宽调制，将接入的直流电源转化为对应的正弦波交流电；
所述脉宽调制的计算公式如下：
Figure 337689DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 785987DEST_PATH_IMAGE002
为正弦波交流电的电压值，
Figure 972249DEST_PATH_IMAGE003
为直流电源的电压值，
Figure 898617DEST_PATH_IMAGE005
为逆变电路的目标弧度；
所述根据预设调制算法计算出目标弧度具体为：
A、根据所述逆变电路的载波频率和逆变频率，确定每一逆变周期内的载波总数；
B、根据所述载波总数划分出每一载波的目标角度变量；
C、根据所述目标角度变量，确定每一逆变周期内所述逆变电路的弧度值的变化规律；
D、根据所述变化规律及当前的时间阶段，计算所述目标弧度；
所述步骤C包括：
C1、根据所述载波总数，将每一逆变周期均等份划分为多个时间阶段；
C2、计算每一所述时间阶段与所述目标角度变量的第一函数关系公式；
C3、将所述第一函数关系公式代入正弦公式，得到每一周期内每一所述时间阶段的弧度值，并建立第二函数关系公式；
在所述步骤C2中，当将每一载波对应一时间阶段时，所述第一函数关系公式如下：
Figure 368782DEST_PATH_IMAGE006
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，n载波总数；
在所述步骤C2中，所述第二函数关系公式如下：
当所述时间阶段为所述逆变周期的正半周时，即0≤X<
Figure 722402DEST_PATH_IMAGE007
，则，
Figure 255015DEST_PATH_IMAGE008
；
当所述时间阶段为所述逆变周期的负半周时，即
Figure 860440DEST_PATH_IMAGE007
≤X<n，则，
Figure 60477DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，X为表示当前的时间阶段的变量，
Figure 479607DEST_PATH_IMAGE010
为补偿变量，
Figure 640461DEST_PATH_IMAGE012
，n为载波总数；
所述补偿变量的计算公式如下：
Figure 643052DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 697596DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为误差变量，%为取余计算符，>>为右移计算符号。
2.一种高精度模拟正弦波调制系统，其特征在于，包括：
存储有可执行程序代码的存储器；
与所述存储器耦合的处理器；
所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如权利要求1所述的一种高精度模拟正弦波调制算法。
3.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序用于实现权利要求1所述的一种高精度模拟正弦波调制算法。
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