基于SPWM控制的混合調(diào)制教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

梅建偉+田艷芳+雷均+劉杰+魏海波

摘要：在分析混合調(diào)制工作原理的基礎(chǔ)上，給出了采用混合調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法、不同調(diào)制模式切換條件、載波起始點(diǎn)的影響以及同步調(diào)制載波比和分段區(qū)間的選擇，該教學(xué)內(nèi)容的拓展豐富了調(diào)制法的教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了SPWM的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SPWM；載波比；異步調(diào)制；同步調(diào)制；混合調(diào)制

【中圖分類號(hào)】TN86

基金項(xiàng)目：電動(dòng)車用輪轂無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究，項(xiàng)目編號(hào)：ZDK2201401.

隨著電力電子技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)是以指令的方式提供參考正弦信號(hào)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制算法，但是在調(diào)速系統(tǒng)中，由于控制器分辨率和開關(guān)器件最高運(yùn)行頻率的限制，當(dāng)調(diào)制波信號(hào)頻率連續(xù)變化時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步調(diào)制或者異步調(diào)制基本不可能，通常采用多模式混合調(diào)制，在低速區(qū)載波比較大時(shí)采用異步調(diào)制，隨著速度的上升載波比減小到一定程度時(shí)則采用同步調(diào)制；在同步調(diào)制范圍內(nèi)，也將調(diào)制波頻率劃分為若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N不變，不同頻段的載波比數(shù)值不同。

1、多模式混合調(diào)制的工作原理

采用調(diào)制法計(jì)算時(shí)，根據(jù)載波比N是否變化，分為同步調(diào)制和異步調(diào)制。異步調(diào)制時(shí)，在整個(gè)頻率變化范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率 時(shí)保持載波頻率 不變，這樣輸出電壓半波內(nèi)的脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，從而減少電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。

同步調(diào)制時(shí)，N為常數(shù)，變頻時(shí)載波頻率與調(diào)制波頻率同步改變，因而輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終對(duì)稱，使得三相輸出波形間具有互差 120°的對(duì)稱關(guān)系。但是在低頻時(shí)，載波頻率較低，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲。

結(jié)合異步調(diào)制和同步調(diào)制的特點(diǎn)，可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，為了降低開關(guān)頻率，將同步調(diào)制階段進(jìn)行分段，頻率較低時(shí)，載波比較大，隨著頻率的升高，載波比有級(jí)的減小。

2、混合調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法

采用SPWM控制時(shí)，為了得到對(duì)稱的PWM波形，載波比的選取非常重要，尤其是在采用規(guī)則采樣法計(jì)算脈沖寬度和脈沖間隔時(shí)間。

2.1 混合調(diào)制

當(dāng)采用SPWM控制時(shí)，正弦表的設(shè)計(jì)方法以及更新比較寄存器的方法在《SPWM技術(shù)工程應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)》中有詳細(xì)的闡述。

2.1.1 異步調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法

異步調(diào)制時(shí)，開關(guān)頻率固定，當(dāng)調(diào)制波頻率發(fā)生變化時(shí)，載波比發(fā)生變化，為了諧波取載波比為3的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)方法為：

編程時(shí)，取 為整數(shù)， ；

此時(shí)載波比： ；

2.1.2 頻率滯環(huán)實(shí)現(xiàn)方法

以異步調(diào)制到同步調(diào)制進(jìn)行切換的滯環(huán)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)為例，在頻率 處進(jìn)行切換，如果沒有滯環(huán)環(huán)節(jié)，在切換點(diǎn)就有可能在同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種調(diào)制方式間進(jìn)行跳動(dòng)，增加一滯環(huán)環(huán)節(jié)，設(shè)其頻率的變換范圍為 ，具體實(shí)現(xiàn)方法為：

當(dāng) 時(shí)，進(jìn)入同步調(diào)制模式；

當(dāng) 時(shí)，進(jìn)入異步調(diào)制模式。

通過增加這一滯環(huán)環(huán)節(jié)，消除了軟件控制環(huán)節(jié)在頻率切換點(diǎn)的抖動(dòng)。

2.1.3 同步調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法

同步調(diào)制時(shí)，載波比固定，當(dāng)調(diào)制波頻率發(fā)生變化時(shí)，載波頻率發(fā)生變化，此時(shí)需要PWM周期寄存器的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)方法為：

編程時(shí)，取載波頻率 為整數(shù)， ；

此時(shí)周期寄存器的數(shù)值： ，其中 為定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。

2.2 、不同控制模式切換條件

采用混合調(diào)制時(shí)，在不同調(diào)制模式和不同調(diào)制區(qū)進(jìn)行切換時(shí)，切換過程中盡量減小電流沖擊.保持切換前后基波電壓相位的連續(xù)和切換前后當(dāng)前脈沖寬度基本沒有躍變，因此在切換時(shí)一般按一下方式處理：

1） 異步調(diào)制和同步調(diào)制之間進(jìn)行切換時(shí)保證切換頻率處使兩者的載波頻率盡量接近；

2） 在分段同步調(diào)制中從一個(gè)頻段切換到另一個(gè)頻段，要想完全消除切換過程中產(chǎn)生的電壓脈沖寬度的突變，僅僅前一頻段的采樣時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 值為0時(shí)刻進(jìn)行切換，在此時(shí)刻進(jìn)行切換將不產(chǎn)生電壓脈寬的突變。

2.3、載波起始點(diǎn)的影響

可以通過建立matlab仿真模型，對(duì)以上四種不同起始點(diǎn)的調(diào)制模式進(jìn)行仿真，通過比較其諧波含量，發(fā)現(xiàn)調(diào)制波和載波在過零點(diǎn)相交時(shí)，此時(shí)起始點(diǎn)對(duì)輸出波形的影響很小，但是起始點(diǎn)在載波的正峰值和負(fù)峰值時(shí)，如上圖可知，在圖中區(qū)間1和區(qū)間2進(jìn)行調(diào)制時(shí)，會(huì)造成正脈沖和負(fù)脈沖的等效脈沖寬度不一致，也就是等效的正弦波有直流分量，諧波含量增加。

2.4、同步調(diào)制載波比和分段區(qū)間的選擇

1） 選取載波比時(shí)盡量選擇3的整數(shù)倍，實(shí)際控制時(shí)通常選擇6的整數(shù)倍；

2） 在每一個(gè)頻段內(nèi)，開關(guān)頻率的最大值必須在當(dāng)前工況的約束范圍之內(nèi)，保證開關(guān)器件工作可靠；

3） 分段同步調(diào)制進(jìn)行頻率分段時(shí)，盡量使得載波頻率的變換區(qū)間基本一致；

3、結(jié)論

在SPWM控制時(shí)，針對(duì)工程上常用的混合調(diào)制算法，完整的闡述了采用混合調(diào)制時(shí)的實(shí)現(xiàn)框圖，且給出了同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法和注意要點(diǎn)，促進(jìn)了SPWM技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭衛(wèi)農(nóng)，朱鵬程，孔雪娟等.一種基于DSP實(shí)現(xiàn)的異步調(diào)制數(shù)字變頻算法m.電源世界，2001，（11）：24-26.

[2] 李威，車向中，郝榮泰.交直交電力機(jī)車PWM調(diào)制方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000，22（6）：26—31.

作者簡(jiǎn)介：梅建偉，性別：男，出生日期：（1978-10），籍貫：湖北麻城，學(xué)歷：碩士研究生，民族：漢族，單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院，職位：副教授，研究方向：主要從事電力電子變換技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)方面的研究。