【導(dǎo)讀】桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第1頁共45頁

　　

【正文】 這是一個半周期內(nèi)只有三個脈沖波的單極式 SPWM 波形。如要求逆變器輸 出的基波電壓幅值為 1mU ，并要求消除五次和七次諧波電壓（三相電動機無中 線 時，三次和三次諧波的倍數(shù)次諧波可以忽略）。為此適當(dāng)?shù)倪x取脈寬開關(guān)時刻 a a a3。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 22 頁 共 45 頁 如把時間坐標(biāo)原點取在 1/4 周期處，則 SPWM 電壓波形的傅氏級數(shù)可寫作 tkUtU kmk 11c os)( ?? ???? 式中 km U 是第 k 次諧波的幅值，可表達為 )(c os)(2 110 ttdktuU km ???? ??? 根據(jù) 上圖 所示波形，可得出 0)s ins in( s in2 3211 ???? aaaUU sm ? 0)5s in5s in5( s in52 3215 ???? aaaUU sm ? 0)7s in7s in7( s in72 3217 ???? aaaUU sm ? 求解以上三個方程組就 可以得到為了消除五次和七次諧波所應(yīng)有的各脈沖 波開關(guān)時刻 a a a3。為了消除更高次諧波，就的用更多的方程來求解更多 的開關(guān)時刻，也就是說要在一個周期內(nèi)有更多的脈沖波才能更好地抑制與消除 輸出電壓中的諧波成分。 在控制方式上，這種方法并不依賴于三角載波與正弦調(diào)制波的比較，一般 用離線的迭代計算法求出不同輸出頻率下各開關(guān)角的數(shù)值解，放入微機內(nèi)存， 以備控制時取用。 移相式 SPWM 技術(shù) 在許多大功率，特大功率應(yīng)用場合，如高壓直流輸電（ HVDC）、靜止無功補桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 23 頁 共 45 頁 償（ SVC）、大功率交流電機調(diào)速等場合， 由于特大功率可關(guān)斷器件的開關(guān)頻率上限很低，而低開關(guān)頻率的 SPWM 技術(shù)將產(chǎn)生大量諧波，為此人們提出了一 種新的 SPWM 技術(shù)，即將多重化技術(shù)和 SPWM 技術(shù)結(jié)合起來，形成移相式 SPWM 技術(shù)，其基本思想是：在多重化為 Lx 的組合裝置中使用共同的調(diào)制波（周期還是 2π ），并將各裝置中的三角載波（頻率為 fc ）相位相互錯開 2π /( Lx f c)角度，利用 SPWM 技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生移相式 SPWM 波形。雖然每臺變流器載波頻率很低， 但整個組合變流器輸出等效于開關(guān)頻率很高或者說載波頻率很高的 SPWM 變流器。在下圖中的 上部圖形是 5組移相的三角波和調(diào)制波信號，中部圖形是 5 個模塊輸出的二邏輯 PWM 波形，下部圖形是 5 個二邏輯 SPWM 波形之和。 移相式二邏輯 S PWM 波形合成 由于移相式 SPWM 多重化的是以自然采樣 SPWM 技術(shù)為基礎(chǔ)的多重化結(jié)構(gòu)，可以直接引用許多改進的 SPWM 方法。它保持了原技術(shù)中優(yōu)異的控制性能，使傳統(tǒng)多重化結(jié)構(gòu)的單調(diào)控制方式得到極大地擴充。在多重化電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，各單元發(fā)出的基波同 幅、同相，可以共用整流裝置，疊加后的波 形中完全抵消了低次諧波，極大地改善輸出波形。 6 SPWM 控制電路設(shè)計 概述 SPWM 脈沖信號的產(chǎn)生是一切變頻裝置的非常重要的一環(huán)，許多技術(shù)上的創(chuàng)新都集中在如何調(diào)制精確、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)異的 SPWM 脈沖上。 SPWM 波 的產(chǎn)生主要有三種方式 :模擬電路，數(shù)字電路，大規(guī)模集成電路。模擬電路是用 振蕩器產(chǎn)生正弦波和三角波，通過比較器給出信號，來控制逆變電路中橋臂上 下開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷。這種電路元件多、線路復(fù)雜、精度不高，因此用的 較少。數(shù)字電路是通過微處 理器，借助于編程手段，通過實時控制或數(shù)據(jù)存儲 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 24 頁 共 45 頁 查表法，輸出需要的 SPWM 波形。隨著脈寬調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及大規(guī)模集 成電路的發(fā)展，已有專用的集成芯片產(chǎn)生。 方案的論證與比較 方案一 ：采用集成芯片 SA4828 與單片機 相連接控制 SPWM 脈沖輸出 （ 1） ． PWM 產(chǎn)生器 SA4828 簡介 ① 與單片機接口的標(biāo)準(zhǔn)總線 ADOAD7 為 8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。 ② 控制總線 WR、 RD、 ALE 采用 Intel 控制模式， CS 為片選信號。 ③ 信號控制及輸出 RPHT, RPHB, YPHT, YPHB, BPHT, BPHB 輸出三相 PWM 脈沖驅(qū)動信號，均為標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平。 TRIP 端指示輸出封鎖狀態(tài)，低電平有效。SETTRIP 為關(guān)斷觸發(fā)信號輸入端，當(dāng)輸入為高電平時，輸出腳 TRIP 及六個PWM 輸出將被迅速地箱位在低電平狀態(tài)，這種封鎖信號只有在 RST 信號作用下才能解除。 ④ 電源 VDD 為 +5V 電源端， VSS 為芯片接地端。 （ 2） SA4828 的控制方法 SA4828 通過 8 位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機（圖中為 PIC16F877）相連，如圖所示。 PWM 脈沖的各種必需參數(shù)都是通過這條總線傳給 SA4828 的。故障封鎖信號 TRIP 直接接在 PIC16F877 的 INT ( RBO )上，一旦 SA4828 收到來自 IPM或故障保護電路的故障信號，它除了封鎖 PWM 脈沖輸出外，還將 TRIP 端箱位在低電平以向 PIC16F877 發(fā)外部中斷信號，使單片機轉(zhuǎn)入中斷處理子程序，處理故障中斷信號。 對 SA4828 的控制是通過微處理器接口將數(shù)據(jù)送入芯片和兩個寄存器 (初始化寄存器和控制寄存器 來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)，這些參數(shù)在 PWM 輸出端允許輸出前初始化， 逆變器工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫髟诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制逆變器的運行狀態(tài)。 通常在工作時該寄存器內(nèi)容常被改寫以實現(xiàn)實時控制。因為數(shù)據(jù)總線時 8位的，所以控制參數(shù)是通過 6 個 8 位的暫存器 R0, Rl, R2, R3, R4, RS，送入初始化寄存器 R14 和控制寄存器 R15 的。初始化參數(shù)先被寫入 R0, R1......RS，AD07 VCC RS /TRIP MUX ALE /RD /WR VSS PIC16F877 RD07 INT RB0 RB1 RB2 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 25 頁 共 45 頁 然后通過對虛擬寄存器 R14 的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，最后再將控制參數(shù)寫入 R0, R1......RS，并通過對虛擬寄存器 R15 的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。 這六個暫存器在向初始化寄存器 R14 和控制寄存器 R15 寫數(shù)據(jù)時的定義各不一樣。下面分別加以介紹。 初始化參數(shù)空間分配表 7 6 5 4 3 2 1 0` R0 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 R1 PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY0 R3 AC 0 0 WS1 WS0 R4 WD15 WD14 WD13 WD12 WD11 WD10 WD9 WD8 R5 WD7 WD6 WD5 WD4 WD3 WD2 WD1 WD0 載波頻率由 CFS20三位二進制數(shù)決定，這三位數(shù)對應(yīng)一個分頻比 n, n 的值是二進制數(shù) CFS 的對應(yīng)的十進制 數(shù) 值 。如 CFS20=110 時， n=6，以次類推。載波頻率由下式給出 : 12512 ??? nCLKCA R R ff 式中， fcz、是輸入的時鐘頻率。 輸出頻率范圍由 FRS20決定，它們也對應(yīng)一個參數(shù) m，對應(yīng)關(guān)系同上。頻率范圍由下面的公式確定 : 3 8 4 2 mC A R RR A N G E ff ?? 波形是雙極性控制的 SPWM 波形，防止同一橋臂上上下兩每個脈沖設(shè)定一個延遲時間，延遲時間由 PDYS0 決定，為了減少開關(guān)管的損耗，對一些很窄的脈沖予以刪除，脈沖刪除的 ICJ 值的脈沖刪除時間，它由 PDT60確定，設(shè)定公式為 : 51263 ??? C A R RP D Y f pdyt SA4828 提供三種調(diào)制波形 :純正弦形、三次諧波形、帶死區(qū)的三次諧波形。由 WS1, WSO 決定采用哪一種波形，對應(yīng)關(guān)系如表所示。 WS WS0 0 1 10 11 波形 正弦 三次諧波 帶死區(qū)三次諧波 保留 其中純正弦波形是最常用的，一般情況下都選擇這種波形 。三次諧波形是由正弦波加三次諧波構(gòu)成的，采用這種波形可以提高輸出功率，同時三次諧波也可相互抵消 。帶死區(qū)的三次諧波則進一步優(yōu)化三次諧波，在一個周期中，高壓側(cè)和低壓側(cè)的開關(guān)保持 060 的間隙，從而能夠減小開關(guān)損耗。在使用時可根據(jù)需要選桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 26 頁 共 45 頁 擇調(diào)制波形。 R3 中的 AC 決定三相輸出的幅值是否相等。若 AC=0，由 R 相的幅值定義所有三相 。若 AC=I，則三相幅值分別定義。這里要求三相平衡，故 ACS ， R4, RS決定了 WATCHDOG 記時器的設(shè)定時間 : C L KWD fT IMt 1024?? 其中 TIM 是 R4, RS 中 16位二進制數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)。一旦記時器的時間超出 tyo , SA4828 就封鎖脈沖，同時向單片機發(fā)故障中斷信號。 以上是對 SA4828 三相 SPWM 波形發(fā)生 集成芯片的簡介，對此芯片的操作較為簡單，硬件連線也少，所需的外圍電路也十分的簡單，是制作三相波形發(fā)生器很好的選擇。 方案二 ： 用單片機獨立或與 8253 定時 /計數(shù)器連接進行 SPWM 波形輸出 （ 1） 在這里有必要對 51系列單片機作簡要的介紹： MCS51系列單片微機內(nèi)部包含的功能部件及特點如下： 8位 CPU 振蕩器和時鐘電路，主振頻率 —— 44MHZ（ 52） 4K/8K字節(jié) ROM 128/256字節(jié)的 RAM 可尋址片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 64K字節(jié) 20多個特殊功能寄存器 32線并行 I/O口 一個全雙工串行口 二個 16位定時計數(shù)器（注意：升級產(chǎn)品 52具有 3個定時計數(shù)器 本方案選擇 52單片機作為控制芯片 ） 5/6個中斷源，兩個優(yōu)先級 （ 2） 8253芯片介紹： 8253 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示：由數(shù)據(jù)總線緩存、讀 寫控制邏輯 、控制寄存器和定時器、計數(shù)器 4個邏輯單元組成。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 27 頁 共 45 頁 ① 數(shù)據(jù)總線緩存器 它是一個雙向 8 位三態(tài)資料緩存器。通片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線連接，用于存放控制字資料，初始化資料以及單片機在某個確定時刻所讀取的指定的當(dāng)前計數(shù)器值。 ② 讀寫控制邏輯 讀寫控制負(fù)責(zé)接收外圍的控制命令并且控制 8253 完成相應(yīng)的操作。讀寫邏輯控制由 CS、 WR、 RD、 A A0 信號組成。 ③ 控制字寄存器 在初始化時，單片機必須將控制字寫入該寄存器中，然后由該寄存器決定8253 各計數(shù)器的工作方式。 ④ 計數(shù)器 0、 2 號 它們是 3個獨立的 16位減 1計數(shù) 器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，整個計數(shù)器的工作受到門控位輸入信號的控制。 8253 的操作狀態(tài)如下表所示： CS WR RD A1 A0 操作 0 0 1 0 0 寫入計數(shù)器 0 的初值 0 0 1 0 1 寫入計數(shù)器 1 的初值 0 0 1 1 0 寫入計數(shù)器 2 的初值 0 0 1 1 1 寫控制寄存器 0 1 1 1 1 讀計數(shù)器 0的初值 0 1 0 0 1 讀計數(shù)器 1的初值 0 1 0 1 0 讀計數(shù)器 2的初值 0 1 0 1 1 非法操作 1 － － － － 進制工作 8253 的控制寄存器功能： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 28 頁 共 45 頁 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 00～ 10 選擇計數(shù)器組 00～ 11 讀寫方式控制 000～ 101 選擇計數(shù)器工作方式 計數(shù)方式 01 8253的每一個計數(shù)器都可以通過對控制寄存器的 D5～ D4操作來獨立配置工作方式 0～ 5