CN205051622U - 一种电动车用电机控制中spwm的数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其包括正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元、采样点控制单元、正弦表更新单元、移相控制单元以及脉冲输出与控制单元；载波比计算单元一端连接正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元的集成体，另一端连接采样点控制单元；采样点控制单元一端连接正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元的集成体，另一端连接移相控制单元；移相控制单元一端连接脉冲输出与控制单元；占空比计算单元一端连接脉冲输出与控制单元；本实用新型结构简单，运行稳定可靠，可达到变频变压调速目的，占用内存资源少，谐波含量小，可满足电机变压变频调速系统的控制要求。

Description

一种电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统。

背景技术

变压变频调速是异步电动机控制中的一种常用的调速方法，该方法的核心就是正弦脉宽调制技术，即SPWM变频调速系统。

SPWM法就是以采样理论中面积等效原理为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等。它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，广泛地用于电动机调速，该方法的实现有以下几种方案：

一是采用软件直接计算法。用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔时间,并把这些数据存于控制器中,通过查表的方式生成PWM信号来控制开关器件的通断,以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。

二是硬件调制法。把所希望的输出波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。

三是采用软件生成的方法。用软件算法直接生成PWM波形，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

自然采样法：以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近标准的正弦波，谐波含量小。但是该方法计算量大，特别是变频变压系统中，要实时更新数据，数据占用内存大，实时控制困难大。

规则采样法：以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较，只在三角波的顶点位置对正弦波采样形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置时对称的。这种方法是自然采样法的一种近似，但是计算量大大减小，谐波含量小。

发明内容

针对以上问题，本实用新型提出了一种结构设计简单、合理，运行稳定可靠，可以达到变频变压调速的目的，占用内存资源少，谐波含量小，能够满足电机变压变频调速系统的控制要求的电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

上述的电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，包括正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元、载波比计算单元、采样点控制单元、正弦表更新单元、移相控制单元、占空比计算单元以及脉冲输出与控制单元；所述正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元集成为一体；所述正弦表初始化单元一端连接于所述三次谐波抑制单元；所述三次谐波抑制单元一端连接于所述正弦表更新单元；所述载波比计算单元一端连接所述正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元的集成体，另一端连接所述采样点控制单元；所述采样点控制单元一端连接于所述移相控制单元；所述移相控制单元一端连接于所述占空比计算单元；所述占空比计算单元一端连接于所述脉冲输出与控制单元。

所述电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其中：所述载波比计算单元在异步调制时载波比为6的整数倍。

所述电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其中：所述载波比计算单元包括油门信号检测电路，所述油门信号检测电路是由电阻R9~R17、稳压二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及芯片J1连接组成；所述芯片J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；所述稳压二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；所述电阻R9一端连接所述稳压二极管TVS1的阴极端，另一端连接所述运算放大器Q2的输出端；所述运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接所述电阻R10、R12连接至所述运算放大器Q3的输出端；所述电阻R11一端接地，另一端连接于所述电阻R10与电阻R12的连接点；所述电容C7并联于所述电阻R11两端；所述运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过所述电阻R16连接至所述芯片J1的引脚TIAO1，反相输入端通过所述电阻R15接地；所述电阻R17一端接地，另一端连接于所述芯片J1的引脚TIAO1；所述电阻R13一端连接于所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述电容C8并通过所述电容C8连接至所述运算放大器Q3的反相输入端；所述电阻R14一端连接所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述运算放大器Q3的反相输入端。

有益效果：

本实用新型电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统结构设计简单、合理，运行稳定可靠，能够满足电机变压变频调速系统的控制要求；以数字信号处理器作为控制核心，以规则采样法作为控制算法的基础，采用查表的方式来更新SPWM控制算法中的调制波的频率和电压，可以达到变频变压调速的目的，程序简单,占用内存资源少，谐波含量小，能够满足电机变压变频调速系统的控制要求。

附图说明

图1为本实用新型电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统的载波比计算单元的油门信号检测电路图；

图3为本实用新型电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统的移相控制单元中三个半桥对应的电路原理图。

具体实施方式

如图1至3所示，本实用新型电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，包括正弦表初始化单元1、三次谐波抑制单元2、采样点控制单元3、正弦表更新单元4、移相控制单元6以及脉冲输出与控制单元8。

其中，该正弦表初始化单元1、三次谐波抑制单元2和采样点控制单元3集成为一体。

该正弦表初始化单元1是根据同步调制的载波比（根据电机的转速运行范围，将其整个频率分成多段，每一段的载波比是事先设定好的。）的大小来计算正弦表，得到在不同采样点对应的正弦值；其中，该正弦表初始化单元1一端连接于三次谐波抑制单元2。

该三次谐波抑制单元2是在正弦表初始化单元1中对初始时刻的采样点进行控制，以减小正弦波逆变器的三次谐波；其中，该三次谐波抑制单元2一端连接于正弦表更新单元3。

该正弦表更新单元3是调速系统的定子电压的频率和电压值的大小更新正弦表，从而更新比较寄存器的数值。

该载波比计算单元4是计算异步调制时的载波比和同步调制时的载波比，其中，为了减小谐波和减缓波形的不对称，在异步调制时，尽量考虑频率过渡平滑的同时要保证载波比为6的整数倍，采用查表的方法来计算不同工况下的载波比；计算同步调制时的载波比，根据电机的转速运行范围，将其整个频率分成多段，每一段的载波比是事先设定好的。该载波比计算单元4一端连接正弦表初始化单元1、三次谐波抑制单元2和采样点控制单元3的集成体，另一端连接采样点控制单元5。如图2所示，该载波比计算单元4包括油门信号检测电路，该油门信号检测电路是由电阻R9~R17、稳压二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及芯片J1连接组成，该芯片J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；稳压二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；该电阻R9一端连接稳压二极管TVS1的阴极端，另一端连接运算放大器Q2的输出端；运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接电阻R10、R12连接至运算放大器Q3的输出端；电阻R11一端接地，另一端连接于电阻R10与电阻R12的连接点；电容C7并联于该电阻R11两端；运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过电阻R16连接至芯片J1的引脚TIAO1，反相输入端通过电阻R15接地；电阻R17一端接地，另一端连接于芯片J1的引脚TIAO1；电阻R13一端连接于运算放大器Q3的输出端，另一端连接电容C8并通过电容C8连接至运算放大器Q3的反相输入端；电阻R14一端连接运算放大器Q3的输出端，另一端连接运算放大器Q3的反相输入端。

该采样点控制单元5是根据载波比计算单元4得到的载波比的大小，在周期中断中从采样点0时刻开始，连续的变化到最大值，达到最大值后又从零时刻开始，重复上述过程；其中，该采样点控制单元5一端连接移相控制单元6。

该移相控制单元6是根据载波比计算单元4计算的载波比计算三相逆变器中3个半桥的初始相位对应的采样点；其中，该移相控制单元6一端连接于占空比计算单元7。

该占空比计算单元7是根据当前的载波信号、调制波信号和调制度计算当前的六个脉冲的占空比，为了增加在低速运行时直流电压利用率和减小控制器存储空间的占用率，该单元要进行实时计算。

该脉冲输出与控制单元8是根据占空比计算单元7和载波比计算单元4计算得到的输出，在定时中断周期中进行更新脉冲的等效宽度和频率。

本实用新型工作原理：

控制系统上电后，系统初始化，对正弦表进行初始化，如果此时在进行电压和频率调节，那么就更新正弦表，当定时中断到来时，判断是否更新正弦表，如果要更新表就再次对更新表进行更新，如果不更新正弦表，此时通过采样点控制单元计算采样点，通过移相控制单元6计算三相全桥六个脉冲的相序，根据采样点控制单元5确定的相序和采样点通过查表的方法来计算比较寄存器的数值，脉冲输出与控制单元8根据计算得到PWM的参数输出PWM波形，输出PWM波形后系统回到是否更新正弦表处，重复上述过程。

本实用新型结构设计简单、合理，运行稳定可靠，可以达到变频变压调速的目的，占用内存资源少，谐波含量小，能够满足电机变压变频调速系统的控制要求，适于推广与应用。

Claims (3)

1.一种电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其特征在于：所述数字控制系统包括正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元、载波比计算单元、采样点控制单元、正弦表更新单元、移相控制单元、占空比计算单元以及脉冲输出与控制单元；

所述正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元集成为一体；

所述正弦表初始化单元一端连接于所述三次谐波抑制单元；

所述三次谐波抑制单元一端连接于所述正弦表更新单元；

所述载波比计算单元一端连接所述正弦表初始化单元、三次谐波抑制单元和采样点控制单元的集成体，另一端连接所述采样点控制单元；

所述采样点控制单元一端连接于所述移相控制单元；

所述移相控制单元一端连接于所述占空比计算单元；

所述占空比计算单元一端连接于所述脉冲输出与控制单元。

2.如权利要求1所述的电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其特征在于：所述载波比计算单元在异步调制时载波比为6的整数倍。

3.如权利要求1所述的电动车用电机控制中SPWM的数字控制系统，其特征在于：所述载波比计算单元包括油门信号检测电路，所述油门信号检测电路是由电阻R9~R17、稳压二极管TVS1、运算放大器Q2和Q3、电容C7~C9以及芯片J1连接组成；所述芯片J1具有引脚TIAO1、引脚VIN和引脚KI；

所述稳压二极管TVS1的阳极端接地，阴极端连接有端子ADCINA4；所述电阻R9一端连接所述稳压二极管TVS1的阴极端，另一端连接所述运算放大器Q2的输出端；所述运算放大器Q2的反相输入端连接至输出端，同相输入端依次通过串接所述电阻R10、R12连接至所述运算放大器Q3的输出端；所述电阻R11一端接地，另一端连接于所述电阻R10与电阻R12的连接点；所述电容C7并联于所述电阻R11两端；所述运算放大器Q3的电源正极端连接+5V电源，负极端接地，同相输入端通过所述电阻R16连接至所述芯片J1的引脚TIAO1，反相输入端通过所述电阻R15接地；所述电阻R17一端接地，另一端连接于所述芯片J1的引脚TIAO1；所述电阻R13一端连接于所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述电容C8并通过所述电容C8连接至所述运算放大器Q3的反相输入端；所述电阻R14一端连接所述运算放大器Q3的输出端，另一端连接所述运算放大器Q3的反相输入端。