CN115276437A - 一种正弦脉宽调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正弦脉宽调制方法，以正弦半波作为调制波，用等幅的三角波作为载波；把逆变输出的电压采样值和逆变输出的电流采样值引入控制环路实现系统的闭环控制，使用增量式电压电流双环算法计算正弦脉冲宽度调制控制信号的导通与关断时间，得到SPWM信号。本发明的正弦脉宽调制方法可以采用微处理器进行控制，通过驱动电路控制开关管的通断，控制电路结构简单，控制精度高。

Description

一种正弦脉宽调制方法
技术领域
本发明涉及逆变电路控制，尤其涉及一种正弦脉宽调制方法。
背景技术
随着数字化技术的成熟和普遍，新一代数字信号处理器性能的增强，使得很多复杂的控制算法和控制策略得以实现。正弦脉宽调制（简称：SPWM）是逆变电路通常采用的控制方法，传统的正弦脉宽调制方法有自然采样法、规则采样法、等面积法等，这些方法普遍存在着计算复杂和数据难处理等缺点。
传统正弦脉宽调制方法主要有以下三种：
1）自然采样法：自然采样法是最理想的采样方法，但需要计算关于脉冲宽度的超越方程，数字控制难以实现。
2）规则采样法：规则采样法用近似计算式替代自然采样法的超越方程，计算复杂程度有所降低，但谐波含量大。
3）等面积法：等面积法具有精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点，调制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择受元器件的频率特性制约。
上述三种传统正弦脉宽调制方法都是采用正弦波作为调制波，传统正弦脉宽调制原理如图1所示，当三角载波与正弦调制信号波相交时，在交点时刻对电路中开关管进行控制，得到宽度正比于调制波幅值的脉冲，得到SPWM信号。
传统正弦脉宽调制，通常采用采用模拟电路产生调制信号，采用精密而高速的电压比较器对调制波和载波进行比较，当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换，但模拟电路结构复杂，且难以实现精确的控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种控制电路结构简单，控制精度高的正弦脉宽调制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种正弦脉宽调制方法，以正弦半波作为调制波，用等幅的三角波作为载波；把逆变输出的电压采样值和逆变输出的电流采样值引入控制环路实现系统的闭环控制，使用增量式电压电流双环算法计算正弦脉冲宽度调制控制信号的导通与关断时间，得到SPWM信号。
以上所述的正弦脉宽调制方法，增量式电压电流双环算法包括以下步骤：实时采样逆变输出电压和逆变输出电流，逆变输出电压采样值Vfb与正弦半波调制波信号的电压值VACREF做差得到电压偏差VERR，将电压偏差VERR进行PID运算得到电压环结果VPI；电压环结果VPI与前馈电压值Vbulk相乘，加上可调整偏移量VCOMP后，再乘以比例系数Km得到电流环给定IACREF；电流环给定IACREF与逆变输出电流采样值Ifb做差得到电流偏差IACERR，电流偏差IACERR进行PID运算得到电流环结果IPI；将电流环结果IPI转换为控制高频臂开关管导通时间，得到SPWM控制信号。
以上所述的正弦脉宽调制方法，其特征是对采样信号进行整流和归一化处理，将正弦波采样信号整流成全波信号，采样值为大于或等于零的正数，与调制波信号值属于同一数量级。
调制波由根据采样时间进行离散化处理的数据表格生成，表格的数据量是逆变频率的整数倍，数据数值为零或正数。
本发明的正弦脉宽调制方法可以采用微处理器进行控制，通过驱动电路控制开关管的通断，控制电路结构简单，控制精度高。
附图说明
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。
图1是现有技术正弦脉宽调制方法的原理图。
图2是本发明实施例正弦脉宽调制方法的原理图。
图3是本发明实施例逆变器系统的原理图。
图4是本发明实施例增量式电压电流双环算法的原理框图。
具体实施方式
本发明实施例正弦脉宽调制方法以正弦半波作为调制波信号（如图2中的调制波），用一系列等幅的三角波作为载波，使用增量式电压电流双环算法计算得到SPWM信号。调制波由根据采样时间进行离散化处理的数据表格生成，表格的数据量是逆变频率的整数倍，数据数值为零和正数。
逆变器是一种将直流电转换成交流电的电源转换装置，单极性SPWM逆变器电路拓扑如图3所示，直流母线电压经过IGBT或场效应管（如图3中的开关元器件S1、S2、S3、S4）构成的功率变换器，将直流电压转换成等幅不等宽的高频矩形脉冲电压，这些高频矩形脉冲电压再经过由电感L和电容C2构成的LC滤波器后变成平滑的标准正弦波交流电压。
单极性SPWM逆变器电路由两组桥臂组成，以开关管S1和S2构成桥臂以高频开关频率工作，为高频臂；以开关管S3和S4构成的另一组桥臂以逆变器的输出频率进行切换，为低频臂。
微处理器使用高精度定时器进行计时，当计时到达调制波周期时，微处理器控制低频臂电平进行翻转（如图1中S3、S4波形），控制逆变输出交流电压的极性和频率。
高频臂（图3中的S1和S2）工作频率与载波频率相同，除去死区时间，高频管下管S2与高频管上管S1完全互补（逻辑互补）；高频臂的导通时间由增量式电压电流双环算法结果控制，高频臂决定逆变输出交流电压幅值和带载能力。
逆变输出交流电压与调制波具有相同的频率和相位，所以改变调制波的频率和相位就能改变输出交流电压的频率和相位；根据SPWM原理，逆变输出电压的幅值大小与调制波幅值成正比，改变调制波的幅值就可以改变逆变输出交流幅值。在逆变器的调试和应用过程中，若需改变逆变电压的相位、频率和幅值，只需对正弦半波调制信号进行调整即可。
本发明实施例的增量式电压电流双环算法如图4所示，微处理器实时采样逆变输出电压Vfb和逆变输出电流Ifb，并对采样值进行全波整流和归一化处理，归一化后的逆变输出电压采样值Vfb与正弦半波调制波信号的电压值VACREF做差得到电压偏差VERR，将电压偏差VERR进行PID运算得到电压环结果VPI；电压环结果VPI与前馈电压Vbulk相乘，加上可调整偏移量VCOMP后，再乘以比例系数Km得到电流环给定IACREF；电流环给定IACREF与逆变输出电流采样值Ifb做差得到电流偏差IACERR，电流偏差进行PID运算得到电流环结果IPI；IPI转换为控制高频臂开关管导通时间，得到SPWM控制信号，经驱动电路控制开关管通断产生高频矩形脉冲电压，经过LC滤波得到逆变交流电。
前馈电压Vbulk是与母线电压有效值成比例的电压进行平方计算得到；
因为硬件参数存在偏差，使得采样电压与中心值电压存在一定偏差；可调整偏移量VCOMP根据采样电压的偏移中心值偏差决定；
比例系数Km通过输入电压最大值除以输入电压最小值得到，在最小输入电压输出带载最大时使参考电流IACREF达到最大值。
增量式电压电流双环算法运算过程中所用的数据都进行了归一化处理，调制波信号电压值VACREF、逆变输出电压反采样值Vfb、逆变输出电流采样值Ifb、前馈电压Vbulk等属于同一数量级且都化为正整数，在算法运算过程中减少数据类型转换，可以提高程序算法的运算效率。
本发明以上实施例提供了一种改进的正弦脉宽调制方法，其调制波是正弦半波；以离散化正弦半波的值作为电压给定，采用增量式电压电流双环算法；由于调制波是正弦半波，在数据处理过程中不需要进行额外数据类型转换，提高了运算效率，降低计算复杂程度；增量式电压电流双环算法的计算得出高频臂下管的导通时间，高频臂上管与高频臂下管互补；低频臂上下管以输出交流电压频率进行切换；高频矩形脉冲电压经过适当的滤波得到高质量交流电。
本发明以上实施例的正弦脉宽调制方法可以采用微处理器，使用增量式电压电流双环算法计算SPWM信号的开通与关断时间，通过驱动电路控制开关管进行切换，简化了控制电路，通过修改代码配置即可实现对逆变输出电压和逆变输出频率的更改。

Claims (4)

1.一种正弦脉宽调制方法，其特征在于，以正弦半波作为调制波，用等幅的三角波作为载波；把逆变输出的电压采样值和逆变输出的电流采样值引入控制环路实现系统的闭环控制，使用增量式电压电流双环算法计算正弦脉冲宽度调制控制信号的导通与关断时间，得到SPWM信号。
2.根据权利要求1所述的正弦脉宽调制方法，其特征在于，增量式电压电流双环算法包括以下步骤：实时采样逆变输出电压和逆变输出电流，逆变输出电压采样值Vfb与正弦半波调制波信号的电压值VACREF做差得到电压偏差VERR，将电压偏差VERR进行PID运算得到电压环结果VPI；电压环结果VPI与前馈电压值Vbulk相乘，加上可调整偏移量VCOMP后，再乘以比例系数Km得到电流环给定IACREF；电流环给定IACREF与逆变输出电流采样值Ifb做差得到电流偏差IACERR，电流偏差IACERR进行PID运算得到电流环结果IPI；将电流环结果IPI转换为控制高频臂开关管导通时间，得到SPWM控制信号。
3.根据权利要求2所述的正弦脉宽调制方法，其特征在于，其特征是对采样信号进行整流和归一化处理，将正弦波采样信号整流成全波信号，采样值为大于或等于零的正数，与调制波信号值属于同一数量级。
4.根据权利要求1所述的正弦脉宽调制方法，其特征在于，调制波由根据采样时间进行离散化处理的数据表格生成，表格的数据量是逆变频率的整数倍，数据数值为零或正数。
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