一种基于mcs-51系列单片机的spwm电压波形发生器

一种基于mcs-51系列单片机的spwm电压波形发生器内容摘要：

不等宽的，宽度按照正弦规律变化，故输出电压的波形接近正弦波。 单极性调制与双极性调制 根据调制脉冲的极型， PWM 可分为单极性调制与双极性调制两大类，如图所示：当正弦波的正半周 时，如果正弦波的幅值大于三角波的幅值时，比较器输出正电平，如果正弦波小于三角波幅值时，比较器输出 0 电平。 当在正弦波的负半周时，如果正弦波幅值大于三角波时，输出为负电平。 正弦波幅值小于三角波时则输出 0 电平。 所以有正、 0、负三种电平 ，像这种在控制信号的半个周期内三角波只在一种极性的变化，称之为单极性调制。 图 6urucuO tO tuouofuoUd Ud 双极性 SPWM 控制方式 与单极性调制对应的是双极性调制。 为了得到 SPWM 波形，可以利用一个控制信号（正弦波，也称调制波）与一个较高频率的等腰三角波（载波）相比较以产生开关通断的控制信号。 当正弦波信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出+Ud/2，反之输出 Ud/2。 这样得到双极性的脉冲序列，脉冲宽度和控制信号的高度成正比。 这样得到的只有正、负两种电平的 PWM 信号，这称为双极性脉宽调制。 将此脉冲列作傅立叶级数分解，可知是放 大了的控制信号和一系列的高次谐波。 滤掉高次谐波，就得到了被放大了的控制信号。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 45 页 图6 6urucuO tO tuouofuoUd Ud 三相 SPWM 控制公用 uc,三相的调制信号 urU、 urV和 urW依次相差 120176。 当 urUuc时，给 V1导通信号，给 V4关断信号， uUN’ =Ud/2,当 urUuc时，给 V4导通信号，给 V1关断信号， uUN’ =Ud/2,当给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通 ,uUN’ 、 uVN’ 和 uWN’ 的 PWM 波形只有177。 Ud/2 两种电平 ,uUV波形可由 uUN’ uVN’ 得出，当 1 和 6 通时， uUV=Ud，当 3 和 4 通时， uUV=－ Ud，当 1和 3 或 4和 6通时， uUV=0 输出线电压 SPWM 波由177。 Ud 和 0 三种电平构成 ,负载相电压 SPWM 波由 (177。 2/3)Ud、 (177。 1/3)Ud和 0 共 5种电平组成 图6 7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN39。 C+C+urUurVurW2Ud2Ud 在 图 中 绘出了三相 SPWM 逆变器工作在双极式控制方式时的输出电压波形。 其调制方法和单极式相同，输出基波电压的大小和频率也是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。 双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。 例如图 6b中， uA0＝ f（ t）是在 + US/2 和 － US/2之间跳变的脉冲波形，当 ura＞ uT时， VT1 导桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 45 页 通， uA0＝ + US/2；当 ura＜ uT时， VT4 导通， uA0＝－ US/2 同理， uB0波形是 VT VT6交替导通得到的； uC0波形是 VT VT2 交替导通得到的。 由 uA0 减 uB0得到逆变器输出的线电压波形 uAB=f（ t），脉冲幅值为＋ US和－ US。 一个逆变电路，是采用单极性还是双极性调制，完全取决于主电路本身的结构。 某些电路，如单相桥式逆变电路，既可用单极性 PWM 控制方案，也可用双极性 PWM调制信号去控制。 而三相桥式逆变电路则采用双极性 PWM调制信号去控制。 在同等情况下，单极性 PWM 调制波比双极性 PWM 调制波的谐波分量要小些。 通常三角波的幅值与频率固定，只是正弦波信号的幅值与频率进行改变。 正弦波信号的幅值与三角波幅值的比称为调制比，用 M 表示。 将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调制度的制约。 逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。 同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须使 所调制的脉冲波有个最小脉 宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。 定义调制度， 一般 M在 0～ 1之间变化，逆变器输出的基波分量与 M成线性关系。 如果大于 1，那么正弦波输出特性将被破坏，这种情况叫做过调制。 将三角波和正弦波频率的比值叫做载波比，用 N表示。 因此，载波不变得情况下，改变正弦波的幅值即可改变输出基波的幅值， 改变正弦波的频率即可改变输出基波的频率。 u c u rU u rV u rW u u UN39。 u VN39。 O t t t t O O O u WN39。 2 U d  2 U d 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 45 页 异步调制与同步调制 三角波与正弦波之间没有确定的频率调制比，称之为异步调制。 一般三角波的频率是不变的，因此，改变正弦波频率时，调制比 N是变化的，可 能不是一个整数，那么输出波形将不对称， N 较大时影响较小。 反之，波形的不对称度将 变得很大。 如果调制比在变频过程中保持为常数 ，这种同步关系得调制方式称为同步调制。 因此，在变频过程中三角波的频率必须与正弦波频率同步变化。 在三相系统中， N应为 3的整数倍，同时要为奇数，以使波形正负对称与镜像对称。 为了克服高频工作时的缺点，可采用分段同步调制： 在异步调制中，在逆变器的整个变频范围内，载波比不为常数。 同步调制和异步调制各有其优缺点，为了扬长避短，可将两种调制方式结合起来，成为分段同步调制方式。 在一定频率范围内，采用 同步调制，保持输出波形对称的优点。 当频率降低较多是，使载波比分段有级地增加，又采纳了异步调制地长处，减少负载电机地转矩脉动与噪声。 载波比值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器件的允许工作频率以及所用的控制手段都有关系。 为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从逆变器本身看，载波比不能太大， 逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。 同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须时所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度 大于开关器件的导通时间与关断时间 分段调制如图示。 脉宽调制 应受到下述关系式的限制即 ： N≤ 信号频率频段内最高的正弦参考 允许开关频率逆变器功率开关器件的 ， 010 20 30 40 50 60 70 80201147996 9 4 5 3 32 1图 6 1fr /H zf c /kHz SPWM 波形的生成 根据 SPWM 逆变器的工作原理，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波 相交两次，相应的逆变器功率器件导通与关断一次。 要准确地生成 SPWM 波形，桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 45 页 就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。 根据采样时刻的选择方式不同，可以分为自然采样法、规则采样法和等面积采样法。 （ 1） 自然采样法 自然采样法是由高 频三角载波与正弦调制波的交点来自然的确定脉冲的采样点和开关点，即自然采样法的采样点和开关点重合，采样点不能预先选定。 自然采样法有两个优点： ① 基波幅值与调制度 M成正比，有利于调压。 ② 高次谐波随着载波比 N 与调制度 M 的 增大而减小有利于波形正弦化，适合于 N〉 11 的场合，当 N〈 11时，谐波成分增大，使邻近的频谱瓣之间发生重叠，导致不同频谱瓣谐波分量叠加。 自然采样法虽然对输出电压波形有利但 需要解超越方程，求解费时较长，实时性差，工程应用中常采用规则采 样法。 （ 2）规则采样法原理 为了寻求适用于 工程实用方法， 20 世纪 70 年代英国的 Bristol 大学的 教授提出了效果接近自然采样法的规则采样法。 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般 采用三角波作为载波。 其原理就是用三角波 的固定点 对正弦波进行 采样 ， 以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否正弦波与三角波相交 ， 采样点是固定的，开关点是变化的， 从而实现 规则采样 SPWM 法。 当 规则采样可以对三角波正峰值和负峰值时刻采样，对正峰值采样，脉冲宽度明显偏小控制误差大，因而人们普遍采用负峰值采样。 如 下 图 所示 ，在三角波负峰值时刻 t D 对正弦波采样，以该时刻的采样值过 D 点做一水平线，水平线与三角波的交点分别为 A 和 B，对应的时刻分别为 t A 和 t B ，在 t A、 t B 时刻控制功率开关器件的通断，可以得到这种规则调制下的脉冲。 这种调制得到的脉冲同自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，时间上略有差异。 在规则采样法中，第一个采样点的时刻， 可以在第一个采样周期的前半个周期中任意选定，输出电压的基波分量不在与调制度 M 和 )cos(  s 的乘积成正比而桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 45 页 变成了与调制度 M 和载波比 N 成非线性关系。 当 N增大时，基波分量趋于正弦，当 N 较小、 M较大时，采样点 P无论取在第一个周期的起点还是其它位置，规则采样法输出的电压频谱，都明显劣于自然采样法。 规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。 其缺点是直流电压利用率较低，线性控 制范围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。 3） 等面积法 实际上就是 SPWM 法原理的直接阐释，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，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成 PWM 信号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。 SPWM 法的思路是使每一载波周期内逆变器输出脉冲面积和在同一载波周期内希望 得到的正弦波面积相等 ,也称面积相等法。 它不像模拟方法需要有正弦参考波与三角载波的比较才能产生 SPWM 波形 ,这里不需要三角载波 ,只需要定出载波周期。 对一个给定的电压期望值 ,可以将一个周期的正弦交流电划分为若干个相等的时间间隔 ,正弦波每一小区间的面积可以由具有一定宽度和幅值的脉冲波来等效 ,这就是等面积法产生 SPWM 波的原理等面 积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点 ,其方法把半个周期的正弦波分成 N 等份 ,如图 1 所示 , 然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替 ,即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等。 同样正弦波的负半周也可用该方法来等效。 N 的多少就意味着 SPWM 信号的调制频率高低 ,调制频率越高正弦波的波形越好 ,但频率的选择又受元件频率特性的限制。 逆变器输出电压与脉宽的关系 在 变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转，对电机来说，有用的只是基波电压，所以要分析逆变器的输出电压波形。 就图 4 所示的单极桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 45 页 式 SPWM 输出波形而言，其脉冲幅值为 US/2。 在半个周期内有 N 个脉冲，各脉冲不等宽，但中心间距是一样的，为π /N（ rad），等于三角载波的周期。 令第 i 个矩形脉冲的宽度为δ i（见图 5），其中心点相位角为θ i，由于从原点开始只有半个三角波，从图上可以看出，θ i角可写作： θ i＝Nπi－21 Nπ＝Ni212π （ 1） 因输出电压波形 u（ t）正、负半波及其左、又均对称，它是一个奇次周期函数，按傅氏级数展开可表示为 u（ t）＝ 1k＝Ukmsinkw1t, k= 5… 其中 Ukm＝π2 )1(1sintu0 twtdkw）（π 要把 N 个矩形脉冲所代表的 u（ t）代入上式， 必须先求得每个脉冲的起始与终止相位角。 设所需逆变器输出的正弦波电压幅值为 Um，则报据矩形脉冲的面积应与该区段正弦曲线下面积相等的原则，可近似写成 δ i 2Us ≈ Nπ Umsinθ i 故第 i个矩形脉冲的宽度δ i。