CN1345114A - 一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法,首先得到测频参数N_F和乘积X×N_F,并选择调制波波形参数和等幅比参数,计算出调制波变化量,在计算时钟脉冲信号控制下,依据波形参数和调制波变化量,计算出调制波波形数据,同时对计算时钟脉冲信号进行脉冲计数,得到相位计数值,依据参考波相位参数和相位计数值产生参考波波形数据,对调制波波形数据与参考波数据作比较,获得脉冲电平数据,脉冲电平数据和相位计数值组合,成为脉宽调制波形数据。本发明的方法,可以实现相位同步控制下产生正弦电压脉宽调制波,所产生的正弦电压脉宽调制波在谐波和各相对称性上具有良好的性能,能够提供数字化的调控手段,控制起来直观简便。

Description

一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法

技术领域：

本发明涉及一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法，属于电力系统控制中的电力电子技术领域。

背景技术：

正弦电压脉宽调制波是一种具有确定幅值但脉宽变化的矩形脉冲信号，该信号中包含一个主要的正弦电压基波分量。正弦电压脉宽调制波广泛应用于电力系统的逆变装置中，在这种信号控制下通过电力电子器件的导通和关断可以实现电能从直流到交流的转换。参考国际标准号码为7111056175的《电力电子技术》一书，产生正弦电压脉宽调制波的基本方法是比较调制波和参考波的幅值，并依据大小结果输出高低电平，从而获得正弦电压脉宽调制波。在上述方法中，调制波一般采用三角波信号，而参考波可以采用正弦波或者梯形波等形式的信号。调制波和参考波由各自的波形发生部分产生，波形发生的频率和幅值都可调。正弦电压脉宽调制波的基波分量的频率F是等于参考波的频率的，所以调节参考波发生频率就可以控制基波频率。调制波的发生频率可以是固定的，也可以是可调的，但是调制波频率和参考波频率之比是正弦电压脉宽调制的一个重要参数，这个参数通常被称作载波比P。载波比P以及调制波和参考波之间的波形关系将影响输出的脉宽调制波的高次谐波特性。另一方面，如果调制波和参考波的幅值可调，这样就可以改变参考波幅值与调制波幅值之比M，这个比值M称作调制比。当M＜1时，正弦电压脉宽调制波的基波正弦分量V与调制比M成正比。此外，电机调速应用中广泛采用了V/F比恒定控制，即要求正弦电压脉宽调制波的基波分量V与基波频率F成正比调节。由此分析可知，只要依据基波频率F正比例调节调制比M即可实现V/F比恒定控制。参考文献中也给出了利用单片机、DSP、CPU等微处理芯片产生正弦电压脉宽调制波的软件实现方法。该方法依据前述的调制波和参考波比较方法的基本原理，通过自然采样或者规则采样或者直接脉宽调制等近似方式，推导出脉冲宽度的计算公式，软件实现方法就是通过这些公式的计算获得正弦电压脉宽调制波的脉冲宽度数据序列，并依据这组数据控制脉冲输出电平的保持时间，从而得到脉宽调制波形。

上述正弦电压脉宽调制波的产生方法存在一些不足。首先，这些方法无法获知所发脉冲对应于基波的相位角度，也就不能够直接基于相位角度产生出脉宽调制波。这些方法当动态调节基波频率F、调制比M和载波比P等参数时会破坏一个基波周期正弦电压脉宽调制波的完整性，增加谐波含量，而如果完全基于相位产生脉冲就可以避免这种情况。再者，由于上述方法产生的信号和数据不包含相位角度信息，所以也不容易实现相位同步控制下的脉冲发生。

上述方法的模拟电路设计实现比较复杂，而且往往不能满足多种性能兼顾的控制要求。这些控制要求包括载波比P依据基波频率F的自适应调整、调制波波形对应于参考波的对称性控制、调制比M的调节和V/F比恒定控制等。而且模拟实现方式在操作控制上比较麻烦，直观性差，系统容易受到温度和噪声干扰，精度和稳定性低。为此，希望采用数字方式产生正弦电压脉宽调制波形。然而，如果采用软件方式实现脉宽调制数据的计算产生，由于脉冲发生需要不断依据基波频率F、调制比M和载波比P等变化参数计算出脉宽数据，才能保证为脉冲发生部分连续地提供脉宽数据序列，程序算法和执行工作量都很大，并且如果脉冲输出路数增多，计算量将成倍增长。另一方面，一个控制系统的软件设计中还会包含其它的控制算法，这样软件编程就必须考虑如何避免程序执行的冲突，以及如何避免出现操作延误和数据缺失。事实上，采用软件设计实现正弦电压脉宽调制波的产生也是很复杂的，而且如果设计时结构层次不够清晰，程序优先级安排不当，就会产生错误的波形，降低可靠性。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法，该方法产生的脉宽调制波形数据不仅能够反映脉冲电平变化，而且能够给出对应脉冲电平变化的基波相位角度，基于这些数据并再配合相应的脉冲发生方法，即可产生正弦电压脉宽调制波信号；基于该方法能够实现载波比P依据基波频率F的自适应调整，实现调制波波形对应于参考波的对称性控制，实现调制比M的调节和V/F比恒定控制；基于该方法能够采用计数、加法、比较逻辑和存储等简单的数字逻辑方式实现，从而能够提供数字化的调控手段。

本发明提出的基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法，包括以下步骤：

1、采用固定频率为F_clk的时钟信号clk对前端频率合成部分产生的方波脉冲信号sig进行测频，得到测频参数N_F，或者利用公式 $N_F=\frac{F_{\mathrm{clk}}}{K\×F}$ ，得到N_F，再依据由正弦电压脉宽调制波基波分量的频率F的控制范围以及由调制比M设置的可控参数X，求出乘积X×N_F，上述sig的频率是基波频率F的K倍，K＝(0.01～10)×N_s，N_s为每个正弦电压脉宽调制波基波周期中选定的相位采样点数，时钟信号clk的频率F_clk满足F_clk＞K× F， F为基波频率F的控制上限。

2、依据参数N_F或者基波频率F选择调制波波形参数和等幅比参数ER，其中的调制波波形参数包括周波基本点数PL、周波点数调整码RCODE和周波点数调整码的长度RCLEN。

3、依据由调制比M设定的可控参数Y，按照公式GX＝Y×ER，计算出调制波变化量GX，或者依据上述第1步得到的数据X×N_F，按照公式GX＝2^-k×X×N_F×ER，计算出调制波变化量GX，其中k为由GX的输出范围设定的数据位数调整参数。

4、在计算时钟脉冲信号控制下，依据上述第2步得到的波形参数PL、RCLEN和RCODE以及上述第3步得到的调制波变化量GX，按照调制波幅值增减运算方法计算得到调制波波形数据CD。运算过程如下：

①依据调整码长度RCLEN，对调整位计数脉冲从0到RCLEN-1循环计数，得到调整位数RN。

②依据调整位数RN选择调整码RCODE中第RN位的数据作为调整信号输出。

③依据周波基本点数PL，当调整信号无效时，选择周波点数L＝PL；当调整信号有效时，选择周波点数L＝PL+1。

④依据周波点数L，对计算时钟脉冲信号进行分段计数和判断，输出具有‘增’、‘减’、‘保持’和‘复位’四种状态的一组增减控制信号和一个调整位计数脉冲信号。

⑤在计算时钟脉冲信号控制下，依据上述的增减控制信号和调制波变化量GX对调制波幅值进行增减计算，得到调制波波形数据CD。

5、对计算时钟脉冲信号进行脉冲计数，得到相位计数值PH。

6、由各路正弦电压脉宽调制波之间的相位关系，设定各相的参考波相位参数，然后依据该参数以及上述相位计数值PH，从参考波波形存储空间中读取各相的参考波波形数据RD₁～RD_i，其中的i为需要输出的正弦电压脉宽调制波的相数。

7、对上述第4步得到的调制波波形数据CD与上述第6步得到的各相参考波数据RD₁～RD_i依次作比较，比较大小被二进制编码，并将各相的二进制编码值组合为脉冲电平数据PB。

8、由脉冲电平数据PB和上述第5步得到的相位计数值PH组合，成为脉宽调制波形数据，并最终输出有效的脉宽调制波形数据，每次处理完一个相位点的脉宽调制波形数据后，输出一个计算时钟脉冲信号，该计算时钟脉冲信号用以在上述第4步中控制调制波波形数据CD的运算，以及用以在上述第5步中对其进行脉冲计数产生相位计数值PH。

本发明提出的基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法，输出的脉宽调制波形数据不仅能够反映脉冲电平变化，而且能够给出对应脉冲电平变化的基波相位角度，基于这些数据并再配合相应的脉冲发生方法，即可产生正弦电压脉宽调制波信号，从而容易实现相位同步控制下的正弦电压脉宽调制波发生。本发明方法能够实现载波比P依据基波频率F的自适应调整，能够实现调制波波形对应于参考波的对称性控制，还能够实现调制比M的调节和V/F比恒定控制，所以本发明方法控制功能完备，依据本发明获得数据所产生的正弦电压脉宽调制波在谐波和各相对称性上具有良好的性能。本发明方法能够采用计数、加法、比较逻辑和存储等简单的数字逻辑方式实现，从而能够提供数字化的调控手段，控制起来直观简便。

附图说明：

图1是本发明基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法的原理框图。

图2是本发明调制波波形数据发生部分中的调制波幅值增减运算方法的原理框图。

图3是L＝8、9、10和11时，本发明调制波幅值增减运算方法产生的一个调制周波的离散波形。

图4是本发明实施例的调制波波形参数表。

具体实施方式：

图1给出了本发明基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法的原理框图，进一步结合该原理框图对本发明方法的各个步骤详细说明如下：

1、输入测频部分的信号sig是一个频率为正弦电压脉宽调制波基波分量的频率F的K倍的方波脉冲信号，基波频率F的控制上限是 F，而倍频数K一般可以取K＝(0.01～10)×N_s，这里的N_S是每个正弦电压脉宽调制波基波周期中的相位采样点数，或者说N_S是每个基波周期中脉宽调制波数据计算判断的数目，N_S为正整数，而且N_S越大脉冲数据精度越高。测频部分中有一个固定的时钟信号clk，其频率为F_clk，并且应该满足F_clk＞K× F。测频部分统计在一个sig信号周期中时钟信号clk的脉冲计数个数，并将这个计数值作为输出参数N_F。进一步依据由基波频率F控制范围以及调制比M设置的可控参数X，计数X个sig信号周期中时钟信号clk1的脉冲个数，于是这个计数值就是输出参数X×N_F。由此获得的N_F和X×N_F的方法等效于下面的计算公式： $N_F=\frac{F_{\mathrm{clk}}}{K\×F};$ ${X\×N}_F=\frac{X\×F_{\mathrm{clk}}}{K\×F}.$

如果直接将基波频率F数值输入本系统，也可以按照上述公式采用计算方法获得参数N_F和X×N_F。

2、依据参数N_F或者基波频率F选择调制波波形参数和等幅比参数ER，调制波波形参数是包括周波基本点数PL、周波点数调整码RCODE、周波点数调整码长度RCLEN的一组数据。其中周波基本点数PL是调制波的载波比P除相位采样点数N_S的整数商，而载波比P应该选择满足5＜P＜0.1×N_S的整数。周波点数调整码RCODE是一个二进制的数据序列，其数据位长度就是RCLEN，RCLEN取满足RCLEN≤P的正整数值。ER是等幅比参数，取ER＝q×P，其中0≤q≤1。PL、RCLEN和RCODE将一起作为调制波的波形参数送入调制波波形数据发生部分；而等幅比参数ER将送入调制波变化量计算部分。

3、调制波变化量计算部分有两种可选的工作方式：直接控制方式和V/F比恒定方式。在直接控制方式下，由调制比M设定的可控参数Y和来自调制波波形参数部分的等幅比参数ER的乘积，将作为调制波变化量GX，即：

        GX＝Y×ER；

在V/F比恒定方式下，调制波变化量GX依据第1步得到的数据X×N_F和等幅比参数ER按照下面公式进行计算：

      GX＝2^-k×X×N_F×ER

其中参数k是一个由GX的输出数值范围决定的数据位数调整参数，k是整数。

4、调整波波形数据发生部分在计算时钟脉冲信号控制下，周波基本点数PL、调整码RCODE、调整码长度RCLEN和调制波变化量GX采用调制波幅值增减运算方法得到调制波波形数据CD，图2进一步给出了该方法具体的原理结构。

如图2所示，调整位计数部分对分段计数和判断部分输出的调整位计数脉冲进行计数，在调整码长度RCLEN控制下，当计数值RN从0计数递增到RCLEN-1后，又重新从0开始循环计数。计数值RN输入调整位选择部分，选取调整码RCODE的第RN位数据，调整位选择部分依照这个数据输出一个调整信号。在这个调整信号控制下，周波点数选择部分将依据参数PL选择周波点数L。当调整信号无效时，选择周波点数L＝PL；当调整信号有效时，选择周波点数L＝PL+1。

然后，分段计数和判断部分通过对计算时钟脉冲进行计数，并判断当前计算的相位点在由L个离散点组成的调制波一个周波中的分段位置，从而决定具有‘增’、‘减’、‘保持’和‘复位’四种状态的一组增减控制信号的输出，并产生一个调整位计数脉冲信号。具体的分段计数和判断方法为：a)读入参数L，并将L按二进制分为低两位LL和其余的高位LH两部分；b)计第1个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘复位’；c)然后计LH个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘增’；d)如果LL等于2或3，计1个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘保持’；否则，跳过本步骤；e)再计LH个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘减’；f)如果LL等于1或3，计1个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘保持’；否则，跳过本步骤；g)再计LH个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘减’；h)如果LL等于2或3，计1个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘保持’；否则，跳过本步骤；i)最后计LH-1个计算时钟脉冲，增减控制信号输出状态为‘增’j)在前述的第i步中，当计到最后第LH-1个脉冲时，发出一个有效的调整位计数脉冲，并返回第a步重新开始新的一轮分段计数和判断。

上述这个分段计数和判断方法等效于按照L被4除的余数情况产生一个周波L点的调制波离散波形上各点所对应的增减控制信号的输出状态，下面给出一个等价的描述：

(1)若L是4的整数倍，则对应调制波形的第1点，增减控制信号为‘复位’；第

点，增减控制信号为‘增’；第 点，增减控制信号为‘减’；第

点，增减控制信号为‘增’；

(2)若L被4除余1，则对应调制波形第1点，增减控制信号为‘复位’；第

点，增减控制信号为‘增’；第

点，增减控制信号为‘减’；第 点，增减控制信号为‘保持’；第 点，增减控制信号为‘减’；第

点，增减控制信号为‘增’；

(3)若L被4除余2，则对应调制波形第1点，增减控制信号为‘复位’；第

点，增减控制信号为‘增’；第 点，增减控制信号为‘保持’；第点，增减控制信号为‘减’；第 点，增减控制信号为‘保持’；第 点，增减控制信号为‘增’；

(4)若L被4除余3，则对应调制波形第1点，增减控制信号为‘复位’；第

点，增减控制信号为‘增’；第 点，增减控制信号为‘保持’；第

点，增减控制信号为‘减’；第

点，增减控制信号为‘保持’；第

点，增减控制信号为‘减’；第

点，增减控制信号为‘保持’；第

点，增减控制信号为‘增’。

而每计数到调制波一个周波的最后一点时，产生一个调整位计数脉冲给调整位计数部分，用以调整下一个调制波周波的离散点数。

最后在计算时钟脉冲信号控制下，调制波幅值增减部分依据输入的增减控制信号和调制波变化量参数GX计算出调制波波形数据CD。在每个计算时钟脉冲到来时，调制波波形的计算规则为：当增减控制信号为‘复位’时，调制波幅值CD被设置为0；当增减控制信号为‘保持’时，调制波幅值CD保持不变；当增减控制信号为‘增’时，调制波幅值CD递增GX；当增减控制信号为‘减’时，调制波幅值CD递减GX。最后，调制波波形数据发生部分得到调制波波形数据CD将输入到数据比较部分，如图1中所示。

5、相位角度计数部分对计算时钟脉冲进行计数，得到相位计数值PH，计数范围从0到N_S-1，这里的N_S是每个基波周期中的相位采样点数。当脉宽调制波形数据发生部分每完成一个相位采样点的脉宽调制波形数据的计算、判断和存储后，就向相位角度计数部分发出一个计算时钟脉冲，于是相位计数值PH增1；当PH增到N_S-1，并在脉宽调制波形数据发生部分完成一个基波周期最后一点脉宽调制波形数据的处理后，相位计数值PH复位为0。

6、由各路正弦电压脉宽调制波之间的相位关系，设定各相的参考波相位参数，将这些参数分别与当前的相位计数值PH求和，结果作为该相当前的参考波相位，然后从对应地址的参考波波形存储空间中读出各相的参考波波形数据RD₁～RD_i，其中i是不同相位关系的参考波波形的相数，i是个固定的正整数。在参考波波形存储空间中存放着参考波的采样波形数据，而且每个采样点的参考波波形数据所对应的相位角度和该数据的存储地址成线性对应关系。

7、数据比较部分分别将各相的参考波波形数据RD₁～RD_i同调制波波形数据CD相比较，依据比较的大小结果进行二进制编码，如果各相比较的编码结果分别为b₁、b₂、…、b_i，则它们按位组合为脉冲电平数据PB＝b₁b₂…b_i。

8、脉宽调制波形数据产生部分将脉冲电平数据PB和当前的相位计数值PH组合为脉宽调制波形数据，并输出有效的脉宽调制波形数据。为了避免数据的冗余，只需要输出表示脉冲电平发生变化的有效的脉宽调制波形数据，所以除了当相位计数值PH等于0时的脉宽调制波形数据一般总是被输出外，当PH不等于0时，脉宽调制波形数据产生部分将比较当前点的脉冲电平数据和前一点的脉冲电平数据是否一样，如果不一样则表示脉冲电平输出发生了变化，此时才将该点计算出的脉宽调制波形数据输出。每次处理完一个相位点的脉宽调制波形数据后，脉宽调制波形数据产生部分还输出一个计算时钟脉冲信号，用以控制调制波波形数据发生部分和相位角度计数部分。

基于本发明方法获得的正弦电压脉宽调整波形数据，如果配合以相应的脉冲发生方法，就可以产生出正弦电压脉宽调整波。

本发明方法的主要特点是从调制波离散波形的产生入手，提供了一种基于相位角度产生正弦电压脉宽调制波形数据的方法，所产生的脉宽调制波形数据不仅包含脉冲电平的变化，还包含对应的相位角度。

本发明方法能够依据基波频率F对载波比P进行选择，从而控制脉宽调制波的脉冲频率。由于本发明方法根据基波频率F或者与F成反比的参数N_F的大小选择不同的周波基本点数PL，而PL等于载波比P除相位采样点数N_S的商，所以PL的值就直接反映了正弦电压脉宽调制中载波比P的大小，决定了调制波的频率。利用PL的选择就可以控制最终产生的脉宽调制波的脉冲频率，从而满足不同型号的电力电子器件对驱动脉冲频率的要求。然而，一个基波周期内的相位采样点数N_S不一定能够被P整除，所以本发明进一步引入了周波点数调整码RCODE和周波点数调整码长度RCLEN两个参数来补偿余数，而且通过这两个参数的选取还能够满足调制波波形相对于基波周期的对称性要求，这将在后续的讨论中加以说明。

首先应该指出，前述的调制波波形数据发生部分中所采用的调制波幅值增减运算方法是一个依据调制波的周波点数L选取增减控制信号的输出状态的算法规则，该方法使调制波一个周波的信号总能够满足奇对称性。图3给出了当L分别为8、9、10、11时调制波一个周波的离散波形，不论L被4除的余数是多少，调制波形都是奇对称的。进一步，如果选取相位采样点数N_S和载波比P都是3的整数倍，于是可以按照两种可能情况加以讨论。第一种情况是当N_S能够整除P时，此时N_S＝P×PL，由P个调制周波组成的一个基波周期内的调制波波形是奇对称性的。再有，这个离散的调制波如果依据基波相位角度进行相移120°，即按照相位采样点在时间轴上平移了

点，这样得到的波形将与原调制波形完全一样，所以当N_S能够整除P时，调制波形也具有三相对称性。第二种情况是当N_S不能够整除P时，假设NS＝P×PL+R(0＜R＜P)，这样在一个基波周期中将有P-R个调制周波包含PL个采样点，有另外R个调制周波包含PL+1个采样点，如果这两种调制周波按照一定规则均匀排布，就能保证一个基波周期的调制波的奇对称性和三相对称。为此，本发明引入了RCLEN和RCODE两个参数来控制不同点数的周波的排布规律。

由于N_S＝P×PL+R，如果N_S和P是3的倍数，R一定也是3的倍数。于是，设计可以保证调制波至少有

个周波为一个变化周期，从而满足三相对称性，若

个PL+1点的周波在这 个周波组成的变化周期中两边对称的分布，即可满足整个基波周期内调制波的奇对称性。这样，周波的排布方式也就组成了调整码RCODE，而RCODE的长度为RCLEN。比如，当选择N_S＝3600，P＝21时，3600＝21×171+9，在一个基波周期中有21个调制周波，其中，12个周期有171个点，9个周期有172个点。要首先保证三相对称，则只要考虑在基波120°内的7个调制周波中4个171点周波(用0表示)和3个172点周波(用1表示)如何排列。采用两边对称的排法，比如排列为0011100、0101010或1001001，都可以实现调制波的奇对称性。如果选择0101010的排法，整个基波周期中调制波周波点数排列为：171，172，171，172，171，172，171；171，172，171，172，171，172，171；171，172，171，172，171，172，171。所以对于载波比N_S＝3600，P＝21的情况，周波点数调整码RCODE＝“0101010”，其长度RCLEN＝7。

如果调制波具有奇对称性，可以基本保证脉宽调制波不含直流分量；如果一个基波周期的调制波三相对称，则当产生互差120°的三相正弦电压脉宽调制波时可以保证输出电压的三相对称。所以本发明方法通过控制参数RCLEN和RCODE就可以满足正弦电压脉宽调制波的对称性能要求。

依据基波频率F改变载波比P时，调制波的幅值A_Δ不应该随之变化。为此，对应于不同载波比P，调制波波形参数部分还输出一个等幅比控制参数ER，并取ER正比于P，即有：

       ER＝q×P；

其中，q是比例系数。当调制波变化量计算部分采用直接控制方式产生调制波变化量GX时，GX＝Y×ER，经过近似推导，调制波的最大幅值A_Δ可以表示为： $A_{\mathrm{\Δ}}=\frac{N_S\×q}{4}\×Y;$

所以当固定N_s和q时，调制波的最大幅值A_Δ只受到参数Y的控制，而不受载波比P的影响。

如果参考波幅值为常数A_ref，可以推导出调制比M的公式： $M=\frac{A_{\mathrm{ref}}}{A_{\mathrm{\Δ}}}=\frac{4\×A_{\mathrm{ref}}}{N_S\×q\×Y}.$

上式说明本发明方法通过对输入参数Y的控制，可以实现对脉宽调制过程中的调制比M的调节。

当调制波变化量计算部分采用V/F比恒定控制方式产生GX时，GX＝2^-k×X×N_F×ER，这时调制波的最大幅值A_Δ为：

    A_Δ＝2^-k-2×N_S×q×X×N_F；

该式同样说明引入参数ER后，调制波的最大幅值A_Δ不受载波比P的影响。又因为 $N_F=\frac{F_{\mathrm{clk}}}{K\×F}$ ，V/F比恒定控制方式下的调制比M为： $M=\frac{2^{k+2}\×K\×A_{\mathrm{ref}}}{N_S\×q\×X\×F_{\mathrm{clk}}}\×F;$

由上式，当参数k、K、A_ref、N、q、X和F_clk固定时，调制比M和基波频率F成正比关系。又因为当M＜1时，正弦电压脉宽调制波的基波分量V和调制比M成正比，所以基波分量V和基波频率F也成正比。所以，这种控制方式可以实现V与F比值大小恒定的控制，从而为电机控制等应用提供V/F比恒定的正弦电压脉宽调制波形数据。

本发明所提供的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法不仅可以用程序软件实现，尤其还为数字逻辑的实现提供了可行的方案。如前所述，计算X×N_F的乘法运算可以转换为统计X个sig信号周期里时钟信号clk的脉冲个数；而调制波变化量GX计算中的乘法GX＝D×ER(参数D在直接控制方式下等于Y，在V/F比恒定控制方式下等于2^-k×XN×N_F)，可以直接采用乘法逻辑，也可以将这个乘法转化为加法来实现。如果ER数据采用二进制表示为e_j-1e_j-2…e₀，则GX的计算可以分解为下式：D×ER＝e_j-1×D×2^j-1+e_j-2×D×2^j-2+…+e₀×D×2⁰

这样，采用移位和j-1次加法运算就可以求出GX。所以，基于本发明方法采用计数、加法、比较和存储空间等等数字逻辑就可以实现正弦电压脉宽调制波形数据的产生。

本发明方法最后只需要通过控制输入信号sig的频率，调节参数X、Y以及各相的参考波相位参数，就可以实现正弦电压脉宽调制波形数据的计算产生，控制参数少而且意义明确。所以在电力电子控制系统中，利用该发明方法可以实现基于相位产生正弦电压脉宽调制波形数据的功能子模块。该模块具有独立完整的功能，调节控制简便，并有很好的稳定性和可靠性。

依据如图1所示的原理结构实施本发明，所产生的正弦电压脉宽调制波形数据对应的基波频率F的范围是10Hz～138Hz，一个基波周期内相位采样点数为N_S＝3600个。

1、输入测频部分的信号sig的脉冲间隔时间与基波0.1度相位时间相对应，所以sig的频率是基波频率的3600倍，即K＝3600。测频时钟信号clk的频率为F_clk＝8×10⁶Hz，统计1个信号sig的脉冲间隔中时钟信号clk的脉冲个数，把这个个数当作参数N_F。通过一个存储空间可以设置参数X，并统计信号sig的X个脉冲间隔中时钟信号clk的脉冲个数，将这个个数当作X×N_F。

2、按照图4所示的参数表，依据输入的N_F选取调制波波形参数PL、RCODE、RCLEN和等幅比参数ER。图4的表中，第1列是输入参数N_F，并按N_F的数值进行分段，依据基波频率范围可知：16≤N_F≤255。第4、5、6、7列给出了对应于N_F各个数值段选择的输出参数PL、RCODE、RCLEN和ER的数据，表中的第2、3列给出了对应于N_F各个数值段的载波比P和P除相位采样点数N_S的余数值R的大小，P和R不作为输入输出数据，这里给出是为了提供参考。从表中可知，等幅比ER与P的关系是 $\mathrm{ER}=\frac{1}{3}\×P$ ，即比例系数 $q=\frac{1}{3}.$

3、调制波变化量GX的计算受到一个状态控制位数据vfmode的控制，当vfmode＝0时，选择直接控制方式，即GX＝Y×ER；当vfmode＝1时，选择V/F比恒定控制方式，即GX＝2^-k×X×N_F×ER，其中取k＝8。由于ER是正整数，其最大值为56，所以采用6位二进制数将ER表示为ER＝e₅e₄…e₀，于是可得：

D×ER＝e₅×D×2⁵+e₄×D×2⁴+…+e₀×D×2⁰；

采用5次加法计算出GX，而且最后只保留GX数据的整数部分。

4、调制波波形数据发生部分按照图2所示的原理结构实施，在计算时钟脉冲信号控制下产生调制波波形数据CD。得到的调制波的幅值A_Δ为：

5、脉宽调制波形数据产生部分每计算和存储处理完一个相位点的脉宽调制波形数据，就向相位角度计数部分发出一个计算时钟脉冲，于是相位计数值PH从0到3599计数增1；如果相位计数值PH增到3599，并又接收到一个计算时钟脉冲后，相位计数值PH复位为0。

6、在参考波波形存储空间中存储的参考波为正弦波，其最大幅值为A_ref＝2¹⁰，每0.1度采样一次，存储地址范围从0到3599，而且地址为j(j＝1，…，3599)的存储数据对应于相位角度是(0.1×j)度的参考波波形数据。参考波波形数据发生部分输出相位互差120°的三相参考波波形数据，这三相对应的参考波相位参数分别为0、1200和2400。如果用ST表示某一相的参考波相位参数，即ST等于0或者1200或者2400。当计算到相位计数值为PH的采样点的脉宽调制波电平时，该相参考波输出相位角度为0.1×(ST+PH)度的参考波波形数据，所以，如果ST+PH＜3600，则从存储地址为(ST+PH)的空间中读取该相参考波波形数据；如果ST+PH≥3600，则从存储地址为(ST+PHASE-3600)的空间中读取参考波波形数据。这样，在每个相位采样点就读取出三个分别对应三相的参考波波形数据RD₁～RD₃。

8、数据比较部分比较调制波波形数据CD和三相的参考波波形数据RD₁～RD₃的大小。如果CD＞RD_i(i＝1，2，3)，则该相输出的脉冲电平数据为b_i＝0(i＝1，2，3)；如果CD≤RD_i(i＝1，2，3)，则该相输出的脉冲电平数据为b_i＝1。最后，b₁、b₂和b₃组合为脉冲电平数据PB＝b₁b₂b₃。

9、在脉宽调制波形数据产生部分中，3位二进制数据PB和13位二进制数据PH组合为16位脉宽调制波形数据。当相位PH等于0时，数据被存入存储空间。当PH不等于0时，脉宽调制波形数据产生部分将比较当前的PB数据和前一点计算的PB数据是否一样，如果不一样则将此点的脉宽调制波形数据存入波形数据存储空间。

由此，本实施例所产生的波形数据表示的正弦电压脉宽调制波的调制比M为：

如果设置vfmode＝0，即选择直接控制方式，可以通过修改参数Y直接控制调制比M。如果设置vfmode＝1，即选择V/F比恒定控制方式，可以通过设置参数X调整基波频率F和调制比M的比例系数。当X＝20，基波频率F分别为10Hz、48Hz和60Hz时，依据上述公式计算出的调制比M相应为：

当F＝10Hz时，M＝0.197；

当F＝48Hz时，M＝0.944；

当F＝60Hz时，M＝1.180。

基于该实施例，可以正确实现正弦电压脉宽调制波形数据的产生。

Claims (1)

1、一种基于相位的正弦电压脉宽调制波形数据的产生方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)采用固定频率为F_clk的时钟信号clk对前端频率合成部分产生的方波脉冲信号sig进行测频，得到测频参数N_F，或者利用公式 $N_F=\frac{F_{\mathrm{clk}}}{K\×F}$ ，得到N_F，再依据由正弦电压脉宽调制波基波分量的频率F的控制范围以及由调制比M设置的可控参数X，求出乘积X×N_F，上述sig的频率是基波频率F的K倍，K＝(0.01～10)×N_S，N_S为每个正弦电压脉宽调制波基波周期中选定的相位采样点数，时钟信号clk的频率F_clk满足F_clk＞K× F， F为基波频率F的控制上限；

(2)依据参数N_F或者基波频率F选择调制波波形参数和等幅比参数ER，其中的调制波波形参数包括周波基本点数PL、周波点数调整码RCODE和周波点数调整码的长度RCLEN；

(3)依据由调制比M设定的可控参数Y，按照公式GX＝Y×ER，计算出调制波变化量GX，或者依据上述第1步得到的数据X×N_F，按照公式GX＝2^-k×X×N_F×ER，计算出调制波变化量GX，其中k为由GX的输出范围设定的数据位数调整参数；

(4)在计算时钟脉冲信号控制下，依据上述第2步得到的波形参数PL、RCLEN和RCODE以及上述第3步得到的调制波变化量GX，运算得到调制波波形数据CD，运算过程如下：

①依据调整码长度RCLEN，对调整位计数脉冲从0到RCLEN-1循环计数，得到调整位数RN，

②依据调整位数RN选择调整码RCODE中第RN位的数据作为调整信号输出，

③依据周波基本点数PL，当调整信号无效时，选择周波点数L＝PL，当调整信号有效时，选择周波点数L＝PL+1，

④依据周波点数L，对计算时钟脉冲信号进行分段计数和判断，输出具有‘增’、‘减’、‘保持’和‘复位’四种状态的一组增减控制信号和一个调整位计数脉冲信号；

⑤在计算时钟脉冲信号控制下，依据上述的增减控制信号和调制波变化量GX对调制波幅值进行增减计算，得到调制波波形数据CD；

(5)对计算时钟脉冲信号进行脉冲计数，得到相位计数值PH；

(6)由各路正弦电压脉宽调制波之间的相位关系，设定各相的参考波相位参数，然后依据该参数以及上述相位计数值PH，从参考波波形存储空间中读取各相的参考波波形数据RD₁～RD_i，其中的i为需要输出的正弦电压脉宽调制波的相数；

(7)对上述第4步得到的调制波波形数据CD与上述第6步得到的各相参考波数据RD₁～RD_i依次作比较，比较大小被二进制编码，并将各相的二进制编码值组合为脉冲电平数据PB；

(8)由脉冲电平数据PB和上述第5步得到的相位计数值PH组合，成为脉宽调制波形数据，并最终输出有效的脉宽调制波形数据，每次处理完一个相位点的脉宽调制波形数据后，输出一个计算时钟脉冲信号，该计算时钟脉冲信号用以在上述第4步中控制调制波波形数据CD的运算，以及用以在上述第5步中对其进行脉冲计数产生相位计数值PH。

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