1、第21卷第1期西安工業學院學報Vol121No112001年3月JOURNALOFXIpANINSTITUTEOFTECHNOLOGYMar12001一種基于正弦脈寬調制技術的交流電源設計方法X段磊強,張志文(西安工業學院電子信息科學與工程系,陜西西安710032)摘要:探討了一種由正弦脈寬調制技術(SPWM)產生正弦波的方法.在試驗裝置上利用MOSFET管組成的全橋式逆變電路和單片機80C196,通過查表和在線計算相結合的方法使輸出的SPWM波形在閉環電路的作用下經濾波后得到頻率穩定、波形精度高的正弦交流電.關鍵詞:電源;微處理機;逆變器;正弦脈寬調制技術(SPWM)中圖號:TM835.1文

2、獻標識碼:A文章編號:100025714(2001)0120046205AdesignmethodforSPWM2basedalternatingpowersupplyDUANLei2qiang,ZHANGZhi2wen(DeptofElctEngr,XianInstofTech,Xian710032,China)Abstract:ASPWM-basedmethodtocreatsinusoidalwaveisproposed.Intheequipment,thesingle2chipmicroprocessor80C196andinvertercircuitmadeofMOSFETareus

3、ed,thismethod,tehmethodcanresultinSPWMwavebyconsulttableandinlinecalculatation,outputshighprecise,stabiliaed2frequencyssinusoidalwaveinthefunctionofclosedcircuitandfilter.KeyWords:powersupply;microprocessor;inverter;sinusoidalpulsewavemodulation(SPWM)引言在電力設備參數的高壓測試中,經常需要一種在一定范圍內電壓連續可調、波形失真小、頻率穩定的電源,

4、以前多直接采用升壓變壓器獲得高壓,通過繼電器改變變壓器變比實現電壓的調整,因其只有有限個離散點,所以效率低、電壓調節不便;另一方面,輸出波形因與市電波形相同,所以失真嚴重,加上器件老化和干擾等因素,造成了測量結果很大程度上偏離真實值.考慮到目前微機的應用狀況和電力電子技術的發展水平,若采用一種數字化技X收稿日期:2000205231作者簡介:段磊強(1974-),男(漢族),西安工業學院碩士研究生.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期段磊強等:一種基于正弦脈寬調制技術的

5、交流電源設計方法47術,即利用微處理器和開關元器件將使得這種電源做到調節靈活、性能可靠.目前,正弦脈寬調制技術(SPWM)在開關電源的設計中獲得了廣泛的應用,其特征是用微處理器生成SPWM驅動信號,通常有查表和實時計算兩種方法.查表法要通過三角載波和正弦調制波相比較來確定開關時刻,它是根據不同的調制度和調制信號的角頻率先離線計算出個開關器件的通斷時刻,把計算結果存于EPROM中,運行時查表讀出所需要的數據進行實時控制;實時計算法不進行離線計算,而是運行時在線計算所需的數據.上述兩種方法因自身特點的不同,各自有具體的應用場合,在實際中也有將這兩種方法相結合的方法,即先離線進行必要的計算并將運算結

6、果存入存貯器,運行時再進行較為簡單的在線計算,這樣既可保證一定的準確性,又不會占用大量的時間1.但是在電源設計領域,尤其是高壓穩壓穩頻電源的設計方面,這種方法還沒有相應的應用,下面通過對SPWM方法的分析來探討一種實際可行的電源設計方法.1產生SPWM波的方法SPWM法的思路是使每一載波周期內逆變器輸出脈沖面積和在同一載波周期內希望得到的正弦波面積相等,也稱面積相等法.它不像模擬方法需要有正弦參考波與三角載波的比較才能產生SPWM波形,這里不需要三角載波,只需要定出載波周期2.對一個給定的電壓期望值,可以將一個周期的正弦交流電劃分為若干個相等的時間間隔,正弦波每一小區間的面積可以由具有一定寬度

7、和幅值的脈沖波來等效,這就是等面積法產生SPWM波的原理3.等面積算法具有計算量小、精度高、輸出電壓波形接近正弦波、諧波損耗小等優點,其方法是把半個周期的正弦波分成N等份,如圖1所示,然后把每一份正弦曲線段與橫軸所包圍的面積都用與之相等面積的等高矩形脈沖來代替,即相對應的同一時間段內矩形脈沖波面積的代數和與正弦波和橫軸所包圍的面積相等.同樣正弦波的負半周也可用該方法來等效.N的多少就意味著SPWM信號的調制頻率高低,調制頻率越高正弦波的波形越好,但頻率的選擇又受元件頻率特性的限制.SPWM波經開圖1等效原理圖關管輸出的控制方法有兩種:一種是單極性,另一種是雙極性.單極性的驅動方法簡單,但產生的

8、波形失真較大;雙極性的控制電路雖然相對復雜,但輸出波形較為理想,所以一般多采用雙極性的方法.在控制中,由一片ROM及80C196內部的RAM即可產生SPWM波形.根據上述原理,設計了一種電源,其電壓在500010000V范圍內連續可調,由于采用查表和在線計算相結合的方法,使輸出電壓的精度得到保證,同時又滿足了實時性的要求.2工作原理及系統結構電源的工作原理是:操作員通過輸入接口電路向16位微處理器設定所要得到的正弦電壓值,微處理器根據電壓標稱值,產生對應的SPWM信號,此信號經驅動環節驅動便會在逆變橋的輸出產生功率SPWM波,再經過濾波以后就得到要求的正弦波.由于濾波器造成的信號損失、市電的波

9、動等因素的影響,輸出的正弦電壓值可能會偏離期望值,所以要從逆變© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.西安工業學院學報第21卷48器輸出端進行電流和電壓取樣,取樣值經整流濾波后,通過光電耦合回路及A/D轉換反饋至單片機,CPU再與設定的電壓、電流值進行比較.如果發生過流現象,則立即采取相應的保護措施、停止脈沖輸出;如果偏離電壓期望值,則相應改變SPWM波的寬度以穩定輸出,圖2中的變壓輸出部分是一個副原線圈匝數比很高的升壓變壓器,在這個變壓器的作用下將電壓升至期望值.出于簡化的考慮

10、在圖中沒有給出能量緩沖吸收環節.顯然,計算機的在線計算給系統的控制帶來了很大的靈活性.圖2為系統的結構框圖,其中的80C196單片機系統是整個系統工作的核心,用于產生SPWM驅動信號;由四個MOSFET管組成的逆變橋是主控電路的主要部分,因為MOSFET工作頻率高、驅動電路簡單、工作損耗低,所以較好地滿足了設計要求.圖2系統結構框圖3軟件設計假設希望輸出的正弦電壓的參數曲線為Umsint,如圖1所示:從ti到ti+1這一區間正弦波與坐標軸圍成的面積為Umii+1sintdt=()costi-costi+1ti+1-ti=T設Ud為逆變橋輸出脈沖交流電壓幅值,令脈沖面積和這段正弦波面積相等(-2

11、)×Ud=U()costi-costi+1(1)(2)所以又(2)式得由(1)式、-2=(costi-costi+1)Ud+2=T=(costi-costi+1)+T2Ud2=(costi-costi+1)-T2Ud如果將一個正弦波分成2N等份,顯然對任一Um將與一組costi-costi+1值(i=1,2,2N-1,2N)建立一個對應關系4.在ti到ti+1這一區間內,一組橋回路的導通時間為,另一組橋回路的導通時間為2,在雙極性控制中,單片機要輸出兩路SPWM波,一路和2為正半周,一路為負半周,所以可將作為單片機兩個定時器初值,在調度程序的作用下,通過脈沖輸出腳發出這兩路波形.因為

12、、Ud均為常數,由公式可以看出Um與兩和2組由的值構成的線性表成正比關系.考慮到正弦波的對稱性,只需將1/4周期的和2數值存入EPROM中,分別將對應的一組數值構成一個線性表,如果EPROM中© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期段磊強等:一種基于正弦脈寬調制技術的交流電源設計方法49和2存儲的是逆變器所能輸出的最大幅值Um所對應的一系列值,此時開關管導通時的占空比也最大,那么可將Um的值作為標幺值.如圖3所示:Um是這種設計方法所能產生的最大電壓值,Um的值通過理論計算

13、來獲得.將期望產生電壓Uo與Um相比較作為確定輸出脈沖寬度的比例系數,可記為K1;經過一個交流電周期后得到一個實際輸出電壓U,一般來說,它與Uo是不相等的,設K2=Uo/U,K2的作用是確定偏差量,在下一個工作周期到來的時候,根據K2改變比例系數K,K=K1和2K2,K與一系列值相乘后分別送兩個定時器初值,這樣就達到了調節開關管占空比改變輸出電壓有效值的目的.在圖1中之所以將負半周的脈沖輸出等分為兩個相等的時間段是為了便于理解,在實際控制中,這一脈沖輸出所驅動的開關管在一個T時間內仍然只工作一次.整個方法的工作流程如圖3所示,其中控制系統運行、鍵盤處理、外部事件判定和響應等功能由主程序完成,而

14、SPWM波的輸出則通過定時器由外部中斷子程序完成5.由于一般開關器件的開通時間小于關斷時間,因此如果將互補的控制信號加到同一橋臂兩個開關器件的控制極上,那么這兩個開關器件將會發生短路,其后果是嚴重的,所以在程序中設置了一個控制死區時間其大小為510s的時間間隔.其它參數設置如下:開關管的工作頻率f=10kHz,交流電的頻率是50Hz,一個交流電周期將被分成2N=200個區間,開關管工作的最大占空比為50%.4方法評價如圖4所示,圖中描繪出了所設計方法在要求輸出8000V高壓時所產生的實際波形,圖中縱軸每個格表示50V的電壓,所測數據是在升壓變壓器的原線圈取得,升壓變壓器的原副線圈的升壓比為11

15、00,從圖上可以看出輸出電壓的幅值在110115V范圍圖3軟件流程圖內,經估算可知副線圈輸出的電壓有效值接近8000V,說明輸出精度3%;另一方面,因該方法采用閉環控制的方法不斷檢測輸出電壓使得該方案具備了自圖4輸出波形圖校準性,因而輸出電壓穩定性好.這就證明了硬件設計合理、軟件編程得當,產生SPWM波的方法是可行的;但是,輸出波形仍存在一定量的失真,并非嚴格意義上的正弦波,原因是死區效應的存在,使得精確設計的SPWM控制信號不能準確無誤地加到主電路開關器件的控制極,從而導致逆變器的實際輸出電壓波形偏離理論上的理想電壓波形.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.西安工業學院學報第21卷50總體上來看,該系統具有以下特點:電路簡單實用;采用等面積化了的SPWM技術,在功率主電路復雜性不增加的前提下減小了輸出諧波、優化了系統的性能指標;采用在線計算和查表技術相結合,較好地解決了輸出精度和輸出實時性的矛盾;用軟件產生SPWM波,輸出電壓調節靈活、穩定可靠.參考文獻:1王兆安,黃俊.電力電子變流技術M