（机械设计及理论专业论文）基于h桥及spwm调制的大功率交流恒流源研究.pdf

摘要 摘要 在现代电力工业的应用中，交流恒流源由于其能在外界电网电压产生波动 或者用电负荷的阻抗特性发生变化时仍然能够输出稳定的电流的特性，大功率、 大电流的交流恒流源在各种需要对特定电流或者特定电流的热效应的场合应用 的十分广泛，如断路器、熔断器、磁力启动器等保护性开关的检测等。当前对 于大功率、大电流方面方案相对较少，而现有的方案存在着许多如电路复杂， 精度低等不足。本文根据实际应用的要求，设计完成了一台输出功率达2 l ( w 以 上，最大输出电流值达2 0 0 安培且高精度，电路相对简单的交流恒流源。 本文所设计的恒流源利用了逆变原理，通过软件生成高精度的s p w m 波 形，驱动全桥逆变电路，输出端经过降压升流和滤波之后输出高精度的正弦波 形。为了实现恒流控制，在输出端负载处进行了电流采用，转换后回传给控制 中心，控制中心根据采集回来的数据作出相应的调节，实现输出电流的恒定。 根据这个设计思想，本文在具体分析了各种s p w m 算法后，采用了不对称 规则采样法，利用a n n e g a l 6 单片机作为控制核心，负责生成s p w m 波形和控 制人机界面显示。根据各项参数选择了n j j i 公司生产的i g b t 模块 2 m b l 7 5 n 0 6 0 来组成全桥逆变电路。设计完成了利用m 5 7 9 5 9 l 芯片驱动全桥 的电路。设计完成了升流变压器来提升输出端电流，并且利用升流变压器的漏 感和高频滤波电容组成了l c 滤波电路，将全桥电路输出的加载有正弦分量的 s p w m 波形滤波得到正弦波形，并且滤除了所含有的高次谐波，得到高精度的 正弦电流输出。在负载处利用电流互感器采样输出电流值，转换得到相应数字 信号后传给控制中心作为调节依据，根据该信号调节s p w m 生成时调制比的大 小，从而控制输出电压幅值，实现输出电流的恒定。 最后，分析了不同电流输出情况下输出波形情况，以及不同电流设定值情 况下实际输出电流值的情况。实验结果表明，本恒流源在精度和稳定性上完全 满足实验设计所需。 关键词交流恒流源逆变s p w m a b s l r a c t a b s t r a c t a cc o i 塔t a n tc m t c ：i l _ ts o l l i c eh 嬲e x t e n s i v eu s i i 坞p r o s p e c ti nc i m 旧n te l e c t r i c p o w e ri i l d u s 旬眵b e c a u s eo fi t ss t a b l ec u r r tc r u 印mw h e nm ee x t e m a le n v i 工- 0 姗e i l t c o n d i t i o nc h 锄g e s ，s u c h 嬲v 0 1 t a g ef h c t u a t i o ni i l 也ee x t e m a le l e c t r i cn e t 、) l ，o r k ，o rt l l e l o a dc h a n g e s a cc o i l s t a n tc u r r e n ts o u r c eh 嬲e x t e n s i v eu s i n gi nb r e a k e ri n s p e c t i o n ， 血s ep r o t e c t o ri n s p e c t i o 玛m a 印e t i cs t a r t e ri n s p e c t i o na n ds 0o n ，b u tm ec u r r 饥t s o l u c i o 璐o fl l i 曲- p o w e r 锄dl l i g hc u r r e n ta cc o n s t a n tc u 【玎e n ts 0 u r c eh a v es o m e d e f e c to fw e a l 【e fp r e c i s i o n0 rt o oc o m p l e xc u i t a c c o r 出n gt 0t h ea p p l i c a t i o n r e q u i l e n l e m ，m i sp a p e fd e s i 孕l sa na cc o n s t 趾tc l l r r e i l ts o u r c ew i t l l2 k wo u 砸u t p o w e f ，2 0 0 ao u 巾u tc w t e n t 缸l dg r e a t c r 血a n9 9 p r e c i s i o i l ，a n dm a k e si t sc i r c u i t c o m p a r a t i v e l ys i i n p l e 1 1 1 i sc o n s t a l nc u 嬲l t 洲l r c eu s i n g 伽- b r i d g ei n 、，c f t e rm e 也0 d p r o d u c es p w m b ys o 脚a r ct o “v e 也ei g b t 伽一嘶d g em 嘶e rc i r c i l i t s ，觚ds 锄p l 啦恤。咖u t c u r r 吼t 弱a d j u s 石n gb 邪i st 0k e e pc o i l s t a n tc u 玎e n to 吨，u t a c c o r d i n gt 0m e a b o v ed e s 啦p 1 1 i l o s o p h y ，“sp 印e r 瓶a l y s e ss p w mp 血c i p l e i i l 渤i la n da d o p t si i t e | 弘l a rs a n l p l i i 培m e 吐i o d ，u s i n ga 1 m e g a l6s c m 舔c o l l 仃o l c o r et 0p r o d u c es p w mw a v c a m du s i i 培t 1 1 el l i 曲p e 响锄a n c e 嘶v e i cm 5 7 9 5 9 lt 0 d d v ea l e2 m b l 7 5 - 0 6 0i g b tm o d u l e 如1 1 - b r i d g ec 沁l l i t a l s od c s i 弘sa 仃a 1 1 s f o 册e r t oi m p r o v eo u 印u t 伽l 仃e n t a n dm a k eu s eo fm el e a 玉【a g ei n d u c t a n c eo ft h i s 包m n s f o m e r 觚dl l i 曲f r e q v e n c yf i l t e rc 印a c i t o rt 0f i l t c rt 0g e tl l i 曲- p r e c i s i o n s i l m s o i d a lw a v e f o 彻o nn l eo u t p u ts i d e u s i i l gc u 【玎e m 仃锄s f o n n e rt os a m p l i i l gt h e o u t p u tc u 盯e n t ，a r e rp r o c e s s i n gs u c h 雒p r e c i s i o nr e c t i f i e ra 1 1 d dc o n v e r s i o n ， p a s s 骼t l l i ss i 驴a lb a c kt 0 吐l ec o n 们lc o r et 0c h 强g em es p w m m o d u l a t i o nr a t i o ， a i l dt l l i sw i l lc h a n g et l l eo u t p u tv o l t a g es ot h eo u t p u tc t e 锄tw o u l dk e 印c o n s t a n t i n l e 朋d ，t h i sp a p e f 姐a l y s e st l l ew a v e f o ms i t u a t i o no fd i 侬i r e n t0 u t p u t c u r r e n t s ，a n dm ep r e c i s i o ni n d i f f e r e n t o u t p u t c i r c u m s t a n c e s ag r e a td a t ao f l a b s t r a c t e x p e 血n e n t si n d i c a t e st l l a tm i sa cc o n s t a n tc u 盯e ms o u r c es a t i s f i e s 吐l e 印p l i c a t i o n r e q u i r e r n e n tc o m p l e t e l y - k e y w o r d s ：a cc o 璐t a n tc u r r c 殂ts o l 鹏e ；i i r 矿哦r ；s p w m i v 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一覃殖比 电源是现代电力工业中最常用的设备之一，作为整个电力工业中提供动力 和最基础的部分，有人甚至称之为现代工业的血液。电源技术的发展也日新月 异，目前已经发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。高质量的电源 直接影响着现代的通讯、电子、自动化以及国防等某些高新技术的质量和效率。 而电源的波动，外界电网的干扰等问题在许多场合下会造成不小的问题，如可 能导致某些昂贵的仪器损害，或者干扰所要的结构。交流恒流源作为电源中比 较特殊的一员，由于其能在外界电网电压产生波动或者用电负荷的阻抗特性发 生变化时仍然能够输出稳定的电流的特性，在各种需要对特定电流或者特定电 流的热效应的场合应用的十分广泛，如断路器、熔断器、热继电器、磁力启动 器等保护性开关的检测等。如在使用较多的电磁继电器的检测时，由于过流、 差动、方向及距离等继电器在其电流形成回路中都是采用闭合铁芯，甚至是速 饱和铁芯结构组成，当回路电流达到一定数值时，即产生磁饱和，饱和前和饱 和后的阻抗显然是不一样的，属于非线性负载。而通过大电流调试这些非线性 负载时，用一般的变压器进行降压升流的方法是行不通的。因为一般的升流器 ( 变压器) 工作时是将一侧的高电压低电流转换成另一侧的低电压高电流来满 足检测所需要的电流值。虽然从数值上可以做到提供所需要的电流值，但是这 样的升流器( 变压器) 只是一个电压转换器而不是一个电流源，其输出阻抗非 常的小，所以只能适用于线性阻抗性质的负载。对于非线性阻抗的负载来说， 根据全电路欧姆定律：，= u ( r ：+ ) ，可以看出，若负载阻抗r 。呈非线性， 且 r ，则输出电流随r ，变化而变化，输出电流必然是一个非正弦的周期函 数，对于这种情况，用一般的升流器( 变压器) 来进行校验，其电流波形将产 生严重的畸变，无法模拟实际运行中的电流状态，给定值与实际值将会有很大 的偏差。 如今电流传感器己被应用于多个方面，如汽车工业，铁路、电力等，在电 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 能应用高度发展的今天，电流传感器起到一个不可或缺的作用。对于电流传感 器，其量程和精度是最重要的两个技术指标。所以厂家在出厂电流传感器前一 定要对其进行校准。这就需要有一个标准的电流源来提供电流。 就目前来说，不少应该用恒流源供电的场合，都不适当地使用了稳压电源。 如各种电真空器件，示波器、显像管、功率发射灯等，它们的灯丝冷电阻小， 当用额定电压点燃时，在通电瞬间电流非常大，常常超过灯丝额定电流，这样 大的冲击电流容易使灯丝寿命缩短，而如果使用恒流源，由于在灯丝从冷到热 的过程中可以保持通过其间的电流稳定，可以很好地起到保护作用，对于价格 昂贵的大功率发射管或者电真空器件来说是十分有意义的。又如各种标准灯( 光 强度标准灯等) ，其冷态电阻接近于零，在使用时为了防止电流冲击，不能一步 加到额定值，而是要通过调压器或者限流电阻逐步加大电流，既麻烦又不安全。 而且对于这些标准灯来说，使用时电流的变化会引起灯丝内阻的变化，从而影 响发光稳定性。因此，采用恒流源供电会比较方便合理。 1 2 国内外研究现状 目前的恒流源研究以及应用中，比较多地集中在直流的、小功率方面，而 大功率的、交流的恒流源研究和方案相对来说比较少。目前应用的比较多的交 流稳流方法主要有以下几种： ( 1 ) 用具有反馈系统的可控硅调相电路来实现稳流，即通过调整截止角来 实现，这种方法简便易行，但是会导致正弦波形的严重畸变，一般只适用于对 于电流波形要求比较低的场合。 ( 2 ) 采用反馈系统控制伺服电机，调节自耦调压器来实现稳流。这种方法 精度比调整截止角的方法要好很多，但由于电机和传动系统的机械惯性调整速 度较慢，而且容易产生振荡，稳定性比较差，灵敏度不高。 ( 3 ) 以铁磁元件为调整元件( 铁磁放大器) 的稳流线路。其不足之处主要 在于磁惯性大，响应时间较长，磁系统会产生严重的波形畸变，并且磁系统的 线性工作区小，一般情况下只能实现小范围定点稳流。 ( 4 ) 利用方波信号发生器和功放电路。其系统如图1 1 所示。 2 第一章绪论 图1 1 利用方波信号发生器原理 该种方案核心也是利用闭环的反馈电路来实现恒流的控制。利用信号发生器来 产生对称的且频率稳定的方波信号( 5 0 h z ) ，通过正弦转换电路将方波信号转换 成失真度低且幅度稳定的纯正弦波。由于此时转换产生的正弦波功率很小，需 要有驱动电路来放大正弦信号，推动大功率的功放电路，从而得到较大电流的 输出。恒流的控制是从功放输出中采集到的信号与给定的信号进行比较，调节 驱动电路的信号，实际上也是一个负反馈的电路。 该电路由于有驱动电路和功放电路的存在，能够使输出电流达到比较大的 值，一般可以达到几十安的输出。但是电路较为复杂。其驱动电路，功放电路 和反馈电路分别如下图所示。 图1 2 驱动电路 + v c c a c b v c c 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 a c b 图1 3 功放电路 l 均， 图1 4 利用方波信号发生器的恒流电路 ( 5 ) 线性电源，即利用功率器件的线性放大能力设计电源。其原理如下图 1 5 所示。该系统主要是利用三极管的功率放大功能来实现大电流的输出。整 个设计围绕运算放大器来构成一个负反馈系统。在其工作时，运算放大器正负 端输入电流可以近似为零，采样电阻上的得到的采样电压将一直跟随着正弦交 流基准电压源的电压进行变化，只要负载上的电压能够始终保证供给负载最大 电流，正负电流源的电压波动会由于负反馈的作用自行调整而影响不到负载， 4 第一章绪论 从而实现了负载上所需的恒定正弦电流。这种电源设计大多采用现成的函数发 生集成芯片来生成正弦基准波，调节该基准波的频率和幅值需要由相应的外围 电路来完成，调节相对比较麻烦。 图1 5 线性电源原理 这种系统在电流的稳定性上具有一定的优势，利用三极管的功率放大形式 来实现，避免了谐波分量的影响，实验表明，输出电流在1 0 0 a 以上时还能保持 o 1 左右的稳定度。但是其缺点也同样很突出，因为整个过程中三极管都是工 作在线性放大区，导致电源的效率非常低，功耗很大，发热比较严重，当功率 提升时往往需要多个晶体管进行并联使用，体积比较大。而且由于三极管工作 在线性放大区，需要有相应的外围电路来设置合适的静态工作点。当需要输出 大电流时，对于n p n 、p n p 对管的选择要求很高。 1 3 本课题主要解决的问题 本课题是在当前交流恒流源尤其是大功率、大电流的交流恒流源应用广泛 但是应用方案相对较少，现行的方案存在着诸多问题如精度不够，响应速度慢， 输出电流太小，系统过于复杂庞大等问题，致力于研究设计利用逆变原理，通 过高精度的s p 删波形驱动全桥电路，输出端降压升流、滤波，得到输出精度高， 正弦波形好的恒定电流，使其具有反应速度快，输出电流和输出功率大的特点， 并尽可能使得系统简单，使用方便。本论文所做的主要工作有： ( 1 ) s p l v m 的算法分析及生成和控制。 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 目前有利用硬件产生s p w m 波形的应用，也有各种各样的s p l i m 波形产生芯 片。但是考虑到本系统的要求和实际应用价值，本课题利用单片机来产生s p w m 波形，外围电路简单，精度高，控制容易。 ( 2 ) i g b t 管全桥电路的驱动。 本系统的主电路部分采用4 个i g b t 管组成全桥电路，利用( 1 ) 产生的s p w m 驱动，通过逆变将s p l l m 波在输出端最终经过滤波处理最终还原成高精度高稳定 度的正弦波。 ( 3 ) 升流变压器的设计。 为了达到大电流、大功率的效果，在输出端需要进行降压升流。升流变压 器不仅仅起到升流作用，其漏感也作为滤波电路的电感使用，所以其参数设计 尤为重要。 ( 4 ) 输出端滤波电路的设计。 经过逆变产生的正弦波形含有很多高次谐波，严重影响着输出正弦波形的 质量，高质量的滤波电路是得到高精度正弦波形的重要环节之一，本系统的另 一个重要工作就是设计输出端的滤波电路。 ( 5 ) 反馈调节系统的设计 要实现恒定的电流输出，需要一个高速且精确的调整系统，以便在外在负 载或环境因素发生变化时来保证输出电流的恒定。本系统采用的是输出端采样 检测，将检测信号返回给控制端进行调节控制的闭环控制系统来保证输出电流 的恒定。 1 4 论文内容章节安排 本论文主要内容章节安排如下： 第一章：绪论。主要阐述了课题的选题背景和研究意义，该课题当前国内 外的研究现状及其分析。本课题主要研究的内容以及论文各个章节的内容安排。 第二章：恒流源整体结构系统设计及其分析。主要阐述了本恒流源系统的 总体设计思想和方案，以及在当前背景下该方案的一些优点和意义。介绍了系 统的整体结构，各主要组成部分，并对该章内容进行小结。 第三章：s p w m 的产生和控制。主要阐述了s p w m 产生的原理，各种不同算 6 第一章绪论 法，深入分析了不同算法之间的优劣和适用环境，选择最适合本系统设计的算 法。介绍了单片机产生和控制s p 删的机理，给出了其电路设计以及具体的软件 实现，并对该章内容进行小结。 第四章：全桥逆变结构的设计。主要阐述了全桥系统的特点，适用情况， 深入分析了i g b t 管的特性以及其高效驱动i g b t 的条件。根据特性给出了具体 驱动方案。设计死区时间，输出端降压升流电路以及滤波电路，并对该章内容 进行小结。 第五章：闭环控制电路的设计。主要阐述了闭环控制方案的设计，保证系 统具有高速度的反应和高精度的恒流输出。 第六章：实验结果与分析。主要展示了该系统实际应用的结构，实际数据 的采集及其分析。 第七章：总结和展望。对于本系统的总结，对今后工作的展望。 7 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 2 1 设计思想 第二章恒流源整体系统设计 对于一个电源，使用时关注的特性一般都集中在几个方面：1 ) 精度。2 ) 稳定性。3 ) 输出功率。4 ) 电源效率。 本恒流源系统主要是针对于大电流、大功率而且所需电流失真度低、电流 稳定性好的场合所设计。设计的时候同时考虑系统的复杂性和操作性，在满足 设计要求的前提下尽可能简化系统结构，使其操作简单，使用方便。 本设计中主电路部分利用逆变的方式来得到高精度的电源，采用大功率的 i g b t 组成逆变全桥结构，在输出端利用一个降压变压器来提升其电流输出，保 证输出功率。同时通过对输出电流的采用监控，将信号回传至控制核心进行实 时调整保证了电流稳定性。通过对i g b t 的高效驱动，减小其驱动过程中的损耗， 保证了电源效率。 利用逆变产生高精度正弦波形的关键在于三点，良好的s p w m 波形、i g b t 管高效的驱动以及输出端谐波的滤除。本设计利用a v r 单片机作为控制核心， 通过软件来实现s p 删波形，单片机运算速度及其1 6 位寄存器可以提供足够的 精度，同时外围电路设计相对纯硬件产生s p l i m 来说简单很多，输出端采集回来 的信号也能够及时有效地得到处理，保证了恒流源的响应速度。逆变主电路部 分采用4 个i g b t 管组成全桥。在输出端，利用升流变压器和高频滤波电容组成 滤波电路，有效地滤除逆变产生的谐波，还原得到高质量的正弦波形。 2 2 整体结构 以2 1 中所阐述的设计思想为指导，本系统的整体结构组成可以由图2 1 来表示。整个系统主要可以分为图中几个部分：1 ) 主控模块。用来生成并控制 s p l j l m 波形，接受输出端采样信号并进行处理使得电流保持恒定，并且通过人机 界面接收设定电流值，改变输出电流等。2 ) 全桥逆变模块。逆变的主电路，包 括i g b t 组成的全桥结构，及其驱动电路和保护电路。3 ) 升流模块和滤波模块。 利用升流变压器通过降低输出端电压来提升输出电流，满足大电流所需。同时 第二章恒流源整体系统设计 利用升流变压器的漏感来滤除输出端所含谐波，所以升流变压器同时也是滤波 电路的一部分。4 ) 电流采样转换模块。在输出端利用电流互感器和高精度采 样电阻将电流信号转换为电压信号，同时通过精密整流电路转换成直流小电压 信号反馈到主控模块进行调节，实现输出电流的恒定。 图2 1 系统整体结构框图 2 2 1 主控模块组成 主控模块的整体结构组成如图2 2 所示。 图2 2 主控模块组成结构 其中，主控芯片采用的是a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 单片机。该部分模块 的主要作用是：1 ) 负责生成一路高精度s p 删波形，以及一路所需电流频率的 方波，通过外围电路将其分成四路半波s p w m 波形，分别送入逆变模块用来驱动 4 个i g b t 管。2 ) 通过接口连接一个人机界面，用来设置所需电流的各种参数， 9 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 频率、电流值等。3 ) 接收采用转换模块所采集的信号，实时、动态监控电流 输出值并作出相应改变，保证电流稳定。 本设计预设定输出频率为：厂= 5 0 舷。 2 2 2 全桥逆变模块设计 逆变主电路由4 个大功率的i g b t 管组成，工作的时候通过在一个周期内交 替导通对角支路的i g b t 管来实现输出。市电经过整流以及精密的滤波电路作为 母线电压( ) 输入，其理论电压值为 = 2 2 0 矿牛2 = 3 l l 矿 ( 2 一1 ) 主控模块生成的四路驱动波形通过设计的驱动电路来最终驱动全桥。其结 构如图2 3 所示。 i 全桥电路 酬整流电路 、 i l _ _ ) r 全 ： ) 图2 3 全桥逆变模块结构 如果不考虑逆变过程中的损失，经过全桥逆变后输出的正弦分量为 阢i n = 2 2 0 矿+ 口，其中，口为s p w m 生成时的调制比，即s p w m 波形最大占空比。 在本设计中，调制比取值为口= o 6 5 ，所以经全桥逆变后输出的正弦分量电压值 为 玑缸= 2 2 0 y 幸o 6 5 = 1 4 3 y ( 2 2 ) 2 2 3 升流滤波模块设计 本设计中，额定输出电流最大值l = 2 0 0 么，输出电压最大值= 1 2 矿，最 大输出功率为 1 0 第二章恒流源整体系统设计 只= 虬幸l = 2 4 七形 ( 2 3 ) 如2 2 2 所述，经过逆变主电路输出的电压值是由输入母线电压和驱动信 号的占空比所决定，本设计中，s p w m 生成调制比口= o 6 5 ，即单个s p w m 波周期 内最高占空比设定为6 5 ，母线电压来源于市电的整流，由式2 2 可以看出， 此时输出电压相对较高，而电流较小。该部分模块另一个功能是通过一个 降压升流的升流变压器，来降低输出电压来提升最大输出电流l ，使其满足 l = 2 0 0 彳的要求。 经过如上2 2 2 所述的逆变模块之后，2 2 0 v 的市电被加载到高频的载波上， 逆变之后输出的是含有正弦分量的载波，而升流变压器本身谐振在工频( 5 0 h z ) ， 其输入、输出都是s p 删载波信号，即此时输出的依然是s p 删波形。要在输出 端得到正弦波形，需要通过滤波将正弦分量滤出。 逆变之后，通过滤波分离出来的正弦分量中含有大量的高次谐波，而本设 计电源的应用场合需要输出端有优质的正弦波形，所以这些谐波必须在最终输 出前滤除。该部分模块同时还用来滤除这些谐波，使得输出端得到优质正弦波 形。其组成如图2 4 所示。 图2 4 升流滤波模块结构 2 2 4 电流采样、转换模块设计 负载发生变化时，输出电流会随之变化，或者当温度等环境因素变化，输 出电流也会引起波动，没有办法达到恒流的效果。本设计利用改变输出电压幅 值的方式来调节输出电流的大小。通过在输出端利用一个采样转换电路，来采 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 集输出电流的信息。由于控制芯片最终接收和处理的是数字信号，所以需要通 过精密采样电阻将输出端的交流电流信号转换为交流电压信号，再经过精密整 流电路将其转换为直流信号，并按一定比例缩放处理，使反馈信号的最大值为 = 5 y 。该模块的结构如图2 5 所示。 d 燃 2 3 本章小结 l 群睁 精密整流 电路 图2 5 电流采样、转换模块结构 号 该章内容主要是对本设计的一个整体分析，根据该恒流源的应用场合，确 定其输出电流，输出功率以及输出电压等几个关键参数，以此作为参考来设计 具体的电路实现。将整个系统按照功能划分为主控模块、全桥逆变模块、升流 滤波模块以及采用、转换模块4 个主要组成部分，确定每个部分的具体组成结 构，界定其实现的功能。 1 2 第三章s p w m 的生成和控制 第三章s p w m 的生成和控制 3 1s p w m 算法分析 随着现代电子电力技术的发展，工频( 我国为5 0 h z ) 越来越无法满足一些 用电设备的工作要求，电源频率不适当会导致用电设备处于低效率和低功率因 数的运行状态，损害设备，浪费能源。因而变频技术随着发展，逐渐成为一种 成熟，且应用面十分广泛地高效节能技术，集现代电子、信息、只能技术于一 体。而s p l i m ，即正弦波脉宽调制的生成和控制，是变频技术的核心技术之一， 也随着变频技术的发展而不断成熟。最初的s p w m 生成是采用硬件模拟技术来实 现的。采用模拟电路来构成三角波和正弦波发生器，用比较器来确定他们的交 点。但是用这种方法来生成s p l i l m 电路复杂，而且精度差，因而很早就已经将被 淘汰。8 0 年代以来，随着微型控制器技术的发展和成熟，人们开始采用单片机 和微机生成s p w m 波。利用比较单元和计数器来实现s p w m 波，其原理如图3 1 所示。 卜定时器周期 定 时 器 的 值 图3 1 微机生成s p w m 原理 比 较 值 用这种方法生成s p w m 波形，算法决定着s p l j l m 的精度。目前生成s p 删波的 主要算法有一下几种：1 ) 自然采样法。2 ) 等效面积法。3 ) 对称规则采样法。 4 ) 不对称规则采样法。 3 1 1 自然采样法 自然采样法的基本原理是将正弦波与一个三角波进行相交，一个周期内形 成2 n 个交点，由交点来得到每个矩形脉冲的宽度，从而确定开关时间，其原理 13 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 如图3 2 所示。 ： f + 丁 - 1 0 ( k )o ( k ) 图3 2 自然采样法原理 图中，分别用u 。和u 。表示三角波和正弦波的幅值，口表示其调制比，则 口= 虬 ( 3 1 ) 为简便起见上图中以单位量1 表示三角波幅值，并将波形向上平移一个单 位。由图可得第k 个脉冲的开关角： 乙( k ) ：，+ 等( 1 一口s i n 国乙( k ) ) ( 3 2 ) 锄( k ) = ，+ 等( 1 + 口s i n ( k ) ) ( 3 3 ) 其中 ，：! 茎二! 冱( 3 4 ) n 丁：三( 3 5 ) 3 1 2 对称规则采样法 对称规则采样法是从自然采样法演变而来，其基本原理是由经过采样的正 弦波( 实际上是简化为一个阶梯波) 和三角波进行相交，由各个交点来得出每 个矩形脉冲的宽度。其采样位置可以是三角波顶点，也可以是底点，其原理如 图3 3 所示。 1 4 第三章s p w m 的生成和控制 0 ( 足) o ( 足) 图3 3 对称规则采样法原理 图中，分别用u 。和u 朋表示三角波和正弦波的幅值，口表示其调制比，则 口= 虬。正为三角波周期，f d 表示三角波负峰值采样时刻。为简便起见上 图中以单位量1 表示三角波幅值，并将波形向上平移一个单位。 利用底点采样，根据相似三角形的原理可以得到以下关系： 1 + 口s i n 缈d + 州2 ) 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一= = 一 6 2| 2 可得第k 个脉冲的开关角： o ( 的：，+ 竺；( 1 一口s i n 功9 + 丁2 ” o ( k ) ：r + 会；( 1 + 口s i n 国( r + r 2 ) ) 3 1 3 不对称规则采样法 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 不对称规则采样法是在每个载波周期内采样两次，即在三角波的底点和顶 点分别采样一次，以提高所形成的阶梯波和正弦波的逼近程度，图3 4 给出了 不对称规则算法的基本原理。 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 图3 4 不对称规则算法原理 口s i n 缈f 根据相似三角形原理，司以得到以f 关系式： 三一! 型呈竺 2 万：垒三( ! 竺! ! 璺型 4 万 1 + 口s i n 缈“+ n 一= = 一 2 ，厶 万：垒三! ! ! ! 垫竺垡垒旦1 4 由此可得第k 个脉冲的开关角为： 。( k ) ：，+ 等( 1 堋i n 倒) 钫( k ) ：，+ 今；( 1 + 口s i n 国o + 丁2 ) ) 3 1 4 等效面积法 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 一1 1 ) ( 3 一1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 等效面积法的基本原理是：将一个正弦波( 半波) 平均分成n 等份，每一 等份与坐标轴之间的所围成的面积用与其面积相等的等高矩形脉冲来代替( 等 面积算法又可分为单极性算法和双极性算法，这里仅讨论双极性算法) 。 等效面积采样的根据，是采样控制理论中的一个重要结论：形状不同的窄 脉冲波加在具有惯性的环节上，如果其冲量相同，产生的效果是一样的。这里 1 6 第三章s p w m 的生成和控制 冲量即窄脉冲波的面积。其原理如图3 5 所示。 、 厂 y = u m 量c ( x 1 )： 一万 n 、 斗 霾 l 6 f ，k 、i 乞( k ) !乞i 岭 、 、 匪 + 争双k ；r 图3 5 等效面积算法原理 邢脚静昔 c o s c 等矿c o s c 别 又 邢) 倒阶号 所以 邢) = 争瓷 c o s ( 等咖c o s ( 和 双耻焉+ 参吣c 等矿c o s c 和 可得第k 个脉冲的开关角为： 似) = 等椰似) 。( k ) = 专万一万( k ) ( 3 1 5 ) ( 3 一1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 3 2 算法分析选择 3 2 1 自然采样法分析 由上述自然采样法的开启点和关断点时间公式： 乙( k ) = f + 等( 1 一口s m ( k ” ( 3 2 1 ) o ( k ) ：f + 等( 1 + 口s i n 嘞( k ) ) ( 3 2 2 ) 0 ( k ) = f + 等( 1 + 口s i n 嘞( k ) ) ( 3 2 2 ) 可以看到，该方程是一个超越方程，要求解只能通过迭代的方式。这不符 合微处理器实时动态控制的需求，所以自然采样法并不适合本设计。 3 2 2 对称规则采样法、不对称规则采样法、等效面积法失真度分析 由于正弦波形是奇对称的周期函数，上述对称规则采用法、不对称规则采 样法以及等效面积法这三种算法所生成的s p l l m 波形也是相应的奇对称周期函 数，其脉冲序列周期为：丁= 2 石，因此只需要分析其在半周期( 0 ，万) 内的方程即 可，设脉冲个数= k ，其数学表达式可以表示成以下形式： ( f ) = 配0 ( k ) f o ( k ) o ! 挲鲻o ( k ) n “”。 或 脚筹 将函数o ) 按照傅立叶级数进行展开可得： ( 3 2 3 ) 厂( ，) = 粤+ 【c o s 耐) + 色s 砥刀耐) 】 ( 3 2 4 ) _ = l 由于输出波形是在 一万，石】内的奇函数，所以口。= o 。可得： 儿) = 屯s m ( ，酬) 】 ( 3 2 5 ) 一= l 实际上由于s p w m 波成l 4 镜像对称，我们可以只取1 4 周期的波形，并且 不含有偶次谐波，可得： 玩= 等r 胁埘) s i n 力倒衍 ( 3 _ 2 6 ) 第三章s p w m 的生成和控制 = 警扣s ( 讧( 班c o s ( 刀( 刎】 ( 3 _ 2 7 ) 可得总的谐波失真度为： t h d = ( 3 2 8 ) 式中，刀为以次谐波，既是基波的幅值，6 。表示第以次谐波的幅值。由该 计算公式可得，等面积法抑制谐波的能力最好，其谐波幅值最小，不规则采样 法比较接近自然采样法，其波形失真度较小，规则采样法抑制谐波能力最差。 但是等面积算法速度最慢，规则采样法由于每个周期之采样一次，速度最快。 综合以上谐波和速度的考虑，本设计采用不规则采样法，较小的谐波失真 度保证了s p w m 的精度，较快的速度保证了实时性和电源的反应速度。 3 3a 讯单片机生成s p w m 机制 3 3 1a t m e g a l 6 单片机 a t m e g a l 6 单片机是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器， 拥有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，其内核具有丰富的指令集和 3 2 个通用工作寄存器，并且所有的寄存器都直接与运算逻辑单元相连接，使得 一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提 高了代码效率，使得a t m e g a l 6 的数据吞吐率高达1 m i p s m h z ，从而缓解了系统 在功耗和处理速度之间的矛盾。 a t m e g a l 6 具有1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ，其擦写寿命达1 0 0 0 0 次， 5 1 2 字节的e e p r o m 和1 k 字节的片内s r a m 。两个具有独立预分频器和比较器功 能的8 位定时器计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定 时器计数器，四通道的p w m 及8 路1 0 位的a d c ，两个可编程的串行u s a r t ，可 工作于主机从机模式的s p i 串行接口。 本设计中，采用的是a t m e g a l 6 内的1 6 为定时器计数器来生成。1 6 位的 t c 可以实现精确的程序定时( 事件管理) 、波形产生和信号测量，允许1 6 位 的p w m 。其框图如图3 6 所示。 1 9 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 图3 6a t m e g a l 6 定时器计数器框图 定时器计数器t c n t l 、输出比较寄存器o c r l a b 与输入捕捉寄存器i c r l 均为1 6 位寄存器。t c 可由内部时钟通过预分频器或通过由t 1 脚输入的外部 时钟驱动。双缓冲输出比较寄存器o c r l a b 输出可变频率的信号，比较配置结 构还可置位比较匹配标志o c f l a b ，用来产生输出比较中断请求。在某些模式 下，t o p 值或t c 最大值可由o c r l a 寄存器、i c r l 寄存器，或者一些固定数据 来定义。 t c 可以在几种不同的模式下工作，其中p w m 的生成模式有快速p w m 模式， 相位修正p 1 j i m 模式和相位频率修正p w m 模式( 以下简称相频修正模式) 。快速 p w m 模式可以用来生成高频的p w m 波形，由于其采用的是单边斜坡的工作方式， 其精度和准确度较差。相位修正模式采用双边斜坡的方式，可以产生高精度、 相位准确的p w m 波形，相频修正模式可以产生高精度、相位与频率都准确的p 1 j l m 波形，与相位修正模式类似，也采用双斜坡的方式。其区别主要在于o c r l x 寄 存器的更新时间。 钐n曜鏊 第三章s p w m 的生成和控制 其中，相频修正模式的时序图如图3 7 所示。 1 j 翻崤融 国a t 覆溢广几广 纠豳瞄毒 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ - _ _ _ o 一_ o 一- 阳喇卜薯+ 矗一1 4 一一 图3 7 相频修正模式框图 计数器t c n t l 从b o t t o m 递增计数到t o p ，然后从t o p 递减计数到b o t t o m ， 在其上升沿t c n t l 的值与寄存器o c r l a 值相匹配时，o c l a 置o ，在下降沿与o c r l a 值匹配时o c l a 被置1 ，如果工作在反向模式的话正好相反。由图可见该模式下 p w m 的分辨率由o c r l a 来定义，最小为2 b i t ，最大则为1 6 位。 w m = 等 ( 3 - 2 9 ) 当o c r l a 值与t c n t l 值发生比较匹配时，o c l a 中断标志被置位，并在t o p 时发生中断。其输出的p 1 i m 波频率可由如下公式得到： 一聊= 嘉 ( 3 瑚) 式中，变量是分频因子，厶，0 表示时钟频率。定时器的时序如图3 8 所示。 k 办。 t | 口盯n o q h a a f h 。z 一 i 一1 一 1 一 fo c i h h ， 【一 ：0 0 f o m ： l 图3 8 定时器时序 2 l 基于h 桥及s p w m 调制的大功率交流恒流源研究 3 3 2s p w m 软件实现 如上单片机生成p 1 l m 的原理所示，p w m 波的周期是由时钟频率厶，0 、分 频因子、t o p 值三个因素决定的。当时钟频率和分频因子确定时，只要控制 t o p 值，就能控制p w m 波的频率。如果我们在每个周期的t o p 时改变寄存器o c r l a 的值，即改变比较匹配值，我们就能很容易地改变每一个p w m 波周期内的脉宽。 所以设定t o p 值，控制o c r l a 的值按照正弦规律变化，就能得到不同频率的s p w m 波形。 为实现o c r l a 值按正弦规律变化，一种方法是在每个周期的t o p 值时动态 地计算下一个周期相应的o c r l a 的值，然后更新。但是尽管a t m e g a l 6 计算速度 很快，考虑到产生高频s p w m 时会对精度产生一定的影响，本设计采用了另一种 方法。根据如上所示的不对称采样规则方法，将半个正弦波周期内对应的o c r l a 寄存器预先算好，并由一个一维数组来保存，每个更新周期时依次取一个值代 入，更新o c r l a 的值，从而大大缩短了更新的时间，保证了s p l 】i m 波形的精度。 根据不对称采样法开关点计算公式以及相频修正模式的原理( 如图3 7 所 示) 。 乞( 的：，+ 等( 1 一口s i n 耐) ( 3 3 1 ) o ( 目：f + 全；( 1 切s i n 缈o + r 2 ) ) ( 3 3 2 ) 可以得到单个周期内s p w m 的宽度： 万= 爿袖郇+ 争础川 浯3 3 ， 根据该式，可以计算得出每个三角波载波周期内寄存器对应的值。 本设计针对工频5 0 h z 正弦波在半周期内进行n = 2 0 0 个点的采样，计算得 到0 9 0 度正弦波所对应的正弦表( 9 0 1 8 0 相应值与此对称) 。 表3 1 正弦表值 l 3 9 7 3 1 0 7 1 3 7 1 6 4 3 4 l 7 6 1 0 9 1 3 9 1 6 5 6 4 6 7 8 l l l 1 4 0 1 6 7 l o 4 8 8 2 1 1 3 1 4 4 1 6 9 1 3 5 3 8 4 1 1 7 1 4 7 1 7 0 1 7 5 5 8 6 1 1 9 1 4 8 1 7 1 2 0 5 7 8 9 1 2 1 1 5 0 1 7 4 2 5 6 0 9 1 1 2 5 1 5 3 1 7 5 2 7 6 2 9 5 1 2 8 1 5 6 1 7 7 3 2 6 4 9 7 1 3 0 1 5 9 1 7 8 3 4 6 7 1 0 l 1 3 2 1 6 0 1 7 9 3 7 6 9 1 0 5 1 3 4 1 6 3 1 8 0 第三章s p w m 的生成和控制 将该正弦表存储在芯片中，每次采样时跟新对应的值即可产生所需s p l l m 波。 实现流程如图3 9 所示。 广l i 开始i l _ r 一j 工 图3 9 总体流程以及中断子程序流 由此产生的波形各