SPWM技術(shù)工程應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

梅建偉++田艷芳++雷均++劉杰++魏海波

摘要：在討論SPWM生成方法的基礎(chǔ)上，分析了調(diào)制法中規(guī)則采樣法和自然采樣法應(yīng)用時(shí)碰到的幾個(gè)典型問題，并且給出了相應(yīng)的結(jié)論，利用TMS320F2812作為控制核心，提供了采用規(guī)則采樣法時(shí)軟件C語言代碼，該教學(xué)內(nèi)容的拓展豐富了SPWM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；自然采樣法；規(guī)則采樣法

【中圖分類號】TM464

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：ZDK2201401

隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，提出了多種SPWM技術(shù)，比較典型的有規(guī)則采樣數(shù)字化SPWM技術(shù)和能提高直流電壓利用率的優(yōu)化SPWM技術(shù)，但其基本的調(diào)制規(guī)則并沒有改變。這種調(diào)制規(guī)則是以正弦參考波為調(diào)制波，并以N倍調(diào)制波頻率的具有分段線性的三角波或者鋸齒波作為載波，將載波與調(diào)制波相交，就得到一組

幅值相等，而寬度正比于正弦調(diào)制波函數(shù)的脈沖序列，利用該脈沖序列，并通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)邏輯單元控制功率開關(guān)器件的通斷，便可以實(shí)現(xiàn)SPWM控制。

一、SPWM形成方法

1、軟件計(jì)算法

根據(jù)調(diào)制度和正弦信號頻率的不同，根據(jù)載波比將正弦量周期分成N等份，先離線計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，然后計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻對應(yīng)的正弦值，把當(dāng)前計(jì)算結(jié)果存在EPROM中，運(yùn)行時(shí)通過查表的方法計(jì)算開關(guān)器件的脈沖寬度，該方法所需要的內(nèi)存容量往往較大。實(shí)時(shí)計(jì)算法是在運(yùn)行時(shí)根據(jù)變量進(jìn)行在線計(jì)算

所需的脈沖寬度和間隔，這種方法僅適用于計(jì)算量不大的場合，實(shí)際中通常將這兩種思路結(jié)合起來，將正弦表存在EPROM中，然后在主程序中通過查表的方法實(shí)時(shí)計(jì)算脈沖的寬度。

2、集成電路法

采用專門產(chǎn)生SPWM波形的芯片，可簡化控制電路和軟件設(shè)計(jì)，目前應(yīng)用較多的SPWM芯片有8XC196MC、MA818、HEF4752、SLE4520。其中HEF4752有8段載波比，其載波比可分別設(shè)置為15、21、30、42、60、84、120、168，調(diào)制波的頻率范圍在 。

二、調(diào)制法原理分析

1、規(guī)則采樣法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3為例進(jìn)行分析。

（a） N=6 （a） N=3

圖1 N=3規(guī)則采樣法雙極性調(diào)制脈沖波形圖

2） 結(jié)果分析

采用規(guī)則采樣法時(shí)，在載波比為3的整數(shù)倍時(shí)，分別對N為偶數(shù)和奇數(shù)兩種情況下同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管的控制脈沖進(jìn)行分析，對比圖1（a）和圖1（b）的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N=6時(shí)，同一橋臂上下開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間是相同的；當(dāng)N=3時(shí)，同一橋臂上下開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間不同，上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間比上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間短。這樣當(dāng)N為奇數(shù)的情況下，容易出現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)半周伏秒數(shù)不平衡，造成最終輸出的波形正負(fù)半周不對稱。

2、自然采樣法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3為例進(jìn)行分析。

（a） N=6 （a） N=3

圖2自然采樣法雙極性調(diào)制脈沖波形圖

2） 結(jié)果分析

由圖2可知，采用自然采樣法時(shí)，當(dāng)載波比均是3的倍數(shù)時(shí)，無論載波比為偶數(shù)還是奇數(shù)，上橋臂開關(guān)器件和下橋臂開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間相同（阻性負(fù)載），且同一橋臂上下開關(guān)器件在一個(gè)周期內(nèi)的前后 周期是對稱的。

3、載波發(fā)生變化時(shí)波形圖分析

（a）載波起點(diǎn)不為0 （b）調(diào)制波右移

圖3載波異常雙極性調(diào)制脈沖波形圖

由上圖3（a）可知，當(dāng)載波的起始點(diǎn)不為0時(shí)，采用規(guī)則采樣法或者自然采樣法時(shí)，在圖3（a）中的區(qū)間1中應(yīng)該給上橋臂開關(guān)器件以開通信號，在區(qū)間2中給下橋臂開關(guān)器件以開通信號，按照圖3的調(diào)制方法無法得到開關(guān)器件的脈沖信號。

根據(jù)上圖的分析，要得到按照正弦規(guī)律變化的脈沖信號，載波和調(diào)制波在時(shí)間軸上的過零點(diǎn)必須相交。如果實(shí)際的載波信號為圖3（b）所示的波形，那么將調(diào)制波信號向右移 ，即采樣點(diǎn)均向右移 ，無論是規(guī)則采樣法還是自然采樣法均可以得到按照正弦規(guī)律進(jìn)行變化的開關(guān)器件的控制信號。

三、SPWM工程實(shí)現(xiàn)方法

采用規(guī)則采樣法，以TMS320F2812作為控制核心，利用其事件管理器模塊（EV）實(shí)現(xiàn)SPWM的產(chǎn)生，程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)主要分成兩個(gè)部份，一部份是產(chǎn)生正弦表，并且計(jì)算全比較單元中比較寄存器的數(shù)值，另一部份是根據(jù)三相的相序和采樣時(shí)刻點(diǎn)在上溢中斷中更新比較寄存器的數(shù)值。

1、規(guī)則采樣法脈沖寬度和脈沖間隔的計(jì)算

以三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期 ，使脈沖中點(diǎn)不和三角波

（負(fù)峰點(diǎn)）重合，使計(jì)算大為減化。如圖所示，通過三角波負(fù)峰點(diǎn)作一條垂直于時(shí)間軸的直線，該直線與調(diào)制波相交于D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一條平行于時(shí)間軸的直線，該直線與三角波相交于A、B兩點(diǎn)，在 和 時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，此時(shí)脈沖寬度和脈沖間隔計(jì)算如下：

圖4規(guī)則采樣法脈沖寬度計(jì)算

正弦調(diào)制信號波： ，由上圖4：

故： ，

2、正弦表的產(chǎn)生

float CMPR（Uint16 kkk）

{ float CMPR2=0；

q=（kkk+0.75）； q=q*2*PI； q/=SWPM1.NX； j=sin（q）；

CMPR2=SWPM1.PR/2 * （1+SWPM1.M * j）；

return CMPR2；}

3、上溢中斷中更新比較寄存器的值

if（k0<=SWPM1.NX）

{ h1=k0+SWPM1.NX_A； if（h1>=SWPM1.NX）h1=h1-SWPM1.NX；

h2=k0+SWPM1.NX_B； if（h2>=SWPM1.NX）h2=h2-SWPM1.NX；

EvaRegs.CMPR1=CMPR（k0）；EvaRegs.CMPR2=CMPR（h1）；

EvaRegs.CMPR3=CMPR（h2）；

k0=k0+1；}

else k0=0；

四 結(jié)論

完整闡述了SPWM的形成方法，且針對目前常用調(diào)制方法中自然采樣法和規(guī)則采樣法工程應(yīng)用時(shí)的各種情況進(jìn)行了討論，得出了在不同情況下載波比、載波和調(diào)制波的工程處理方法，最后本文給出了一個(gè)工程上典型的應(yīng)用案例，該教學(xué)內(nèi)容極大的開拓了學(xué)生的視野，為SPWM技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

作者簡介：梅建偉：男，1978.10，副教授，碩士研究生，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。