【文章內(nèi)容簡介】 結論是PWM控制的重要理論基礎。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦半波，把圖32a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖32b所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM (Sinusoidal PWM)波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變上述脈沖的寬度即可。 圖32 用PWM波代替正弦波較為實用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因為等腰三角形上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波形相交時，如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。一般根據(jù)三角波載波在半個周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式，如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的，這時稱為雙極性PWM控制方式。 SPWM波的生成與原理分析 自然采樣法生成SPWM波自然法生成SPWM波又稱模擬電路法生成SPWM波，通常用模擬比較器比較生成SPWM波，如果用信號正弦波作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比較器的反相端輸入信號，便實現(xiàn)了自然法生成SPWM波，如圖33所示，比較器輸出經(jīng)死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的SPWM波。這種方法是所有生成SPWM波方法中最精確的一種，其它方法都是與它近似等效，存在一定的等效誤差。 圖33自然采樣法生成SPWM波 規(guī)則采樣法生成SPWM波規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波(實際上是階梯波)與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖34所示:圖34規(guī)則采樣法生成SPWM波 PWM型逆變電路的控制方式（1）單極性SPWM控制與雙極性SPWM控制a) 單極性SPWM控制三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的SPWM波形也只在一個方向變化的控制方式成為單極性SPWM控制方式，如圖35所示。圖中的為正弦調(diào)制波，為三角形載波。載波在的正半周為正極性的三角波，在的負半周為負極性的三角波。通過和的比較，獲取SPWM 控制信號來控制圖36主電路中開關元件的導通或關斷，IGBT 的通/斷發(fā)生在和的交點時刻。從而在主電路的輸出端獲得SPWM 輸出電壓。在的正半周期間，給T1始終施加開通控制信號，使其始終保持導通狀態(tài)，使TT3始終保持關斷狀態(tài)，只控制T4。當時，控制T4導通，此時輸出電壓為+Ud；當＜時，控制T4關斷，則負載電流通過D3續(xù)流輸出電壓為0V。圖35 單極性PWM控制原理在的負半周，使T3保持始終受控導通狀態(tài)，使TT4一直保持關斷，只控制T2。當＜時，控制T2導通，輸出電壓為；在＞時，使T2關斷，則負載電流通過D4續(xù)流，輸出電壓為0V。這種調(diào)制方式中，在調(diào)制波的正、負半個周期內(nèi)，三角形載波只在一個方向變化，輸出電壓也只在一個方向變化。輸出電壓波形如圖35所示，輸出的電壓有、0V、三種電壓值。其中的為基波分量的波形，與正弦調(diào)制電壓的形狀相同。圖中的虛線表示中的基波分量。像這種在的半個周期內(nèi)三角形載波只在單一的正極性或負極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM 波形也只在單個極性范圍變化的控制方式稱為單極性SPWM 控制方式。b) 雙極性SPWM控制和單極性SPWM 控制方式相對應的是雙極性控制方式，如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負兩個方向變化的，所得到的SPWM波形也是在兩個方向變化的，這時就成為雙極性SPWM控制方式，如圖36所示。其控制和輸出波形如圖36所示。其中為正弦調(diào)制波，為三角形載波。但的波形與單極性時有明顯的不同，在的半個周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負的雙極性三角波。雙極性調(diào)制方式在的正、負半周控制規(guī)律相同。當時，同時給T1和T4導通信號，給T2和T3關斷信號，此時若，則T1和T4導通，若，則Dl和D4導通，兩種情況下輸出電壓均為；當時，給T2和T3導通信號，給Tl和T4關斷信號，若此時，則T2和T3導通，若，則D2和D3導通，兩種情況下輸出電壓均為?？梢?，在的一個周期內(nèi)，輸出的PWM 波只有兩種電平，而不再出現(xiàn)單極性控制時的零電平狀態(tài)。主電路的輸出電壓波形如圖36所示，其幅值只有、兩種。為輸出的基波波形，形狀與正弦調(diào)制波相同。從以上的分析可見，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制。當對開關器件通/斷控制的規(guī)律不同時，它們的輸出PWM 波形也會出現(xiàn)較大的差別。 圖36 雙極性SPWM控制原理(2) 同步調(diào)制與異步調(diào)制在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N= fc/fr。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM逆變電路可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。 a) 異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關系的調(diào)制方式稱為異步方式。在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率fr，變化時，通常保持載波頻率fc。固定不變，因而載波比N是變化的。這樣，在調(diào)制信號的半個周期內(nèi)，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，同時，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當調(diào)制信號頻率較低時，載波比N較大，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱的影響都較小，輸出波形接近正弦波。當調(diào)制信號頻率增高時，載波比N就減小，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動，同時輸出波形和正弦波之間的差異就變大，電路輸出特性變壞。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希一望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，改善輸出特性。b) 同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比N不變。調(diào)制信號半個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。4 電源逆變裝置的主電路的設計 主電路的組成該電源逆變裝置的主電路主要包括：SPWM波的產(chǎn)生、驅動電路、DC/DC電路、逆變電路、整流濾波電路等。 驅動電路方案一：a)概述：采用達林頓管驅動；b)優(yōu)點：達林頓管有驅動能力強、電路結構簡單、價格相對便宜等優(yōu)點；c)缺點：在驅動全橋式連接的MOS管時，至少需要3個獨立電源，電源種類繁多；方案二：a)概述：采用集成芯片IR2110驅動；b)優(yōu)點：IR2110芯片具有體積小、驅動能力強、控制方便、電能利用效率高等優(yōu)點，尤其是采用R2110芯片能夠大大減少驅動電源的個數(shù)（僅需1個），充分簡化驅動電路的設計。方案的選擇：經(jīng)比較，驅動電路的設計應選擇方案二。 DC/DC電路由于驅動電路及逆變電路的電壓不同，因此需要DC/DC電路以對電路起到保護作用。選用DC/DC及芯片78L05，通過此使其輸出不同電壓。其中“78”指輸出正電壓，“05”指5伏。 逆變電路方案一：a） 概述：半橋式。采用兩個MOS管IRF460、兩個電解電容、兩個大電阻等元件組成半橋式主電路，兩路控制信號分別接G1和G2端；b）優(yōu)點：降低設計成本，簡化電路；c）缺點：輸出電壓峰峰值較低，且輸出電流較小，同時，電容的加入，增加了系統(tǒng)的無功功率，電阻也會消耗一部分功率。方案二：a） 概述：全橋式。采用四個MOS管IRF460組成全橋式主電路，四路控制信號分別接G1和G2端、G3和G4端；其中，左半橋的兩路控制信號反相，右半橋的兩路控制信號也反相。優(yōu)點：采用此方案可以使電路結構清晰，輸出有效值增加（為半橋式的2倍），輸出電流較大，且電路的功耗較小。方案選擇：經(jīng)比較，應選擇方案二（全橋式逆變電路） 整流濾波電路為了簡化電路結構，濾波電路采用簡單電路，通常采用的濾波電路設計有如下兩種設計方案：a）方案一：RC濾波電路。采用RC濾波電路，可以簡化電路結構，能夠濾掉絕大部分無關的雜波，得到比較準確的輸出電壓波形，然而由于電容的加入，增加了系統(tǒng)的無功功率，電阻還會消耗一部分功率，且輸出電壓的相位有一定的偏移，這使得相位難于控制，故不采用此方案。b）方案二：LC濾波電路。采用LC濾波電路，一方面可以大大簡化電路結構，實現(xiàn)濾波功能；另一方面，通過電感L和電容C適當匹配，可以使得輸出電壓相位和輸入電壓相位一致，方便電壓相位的控制；此外LC的合理搭配還可以降低無功功率，抑制電壓和電流的脈動，故采用此方案。其中，整流電路采用半波整流。 SPWM波的產(chǎn)生設計 EG8010的簡單介紹