5Hz三檔三相SPWM波形的生成方法

Producing Method of Three－ phase SPWM Wave－ form in Used for

5Hz/50,60,70V Power Supply

摘要：本文介紹5Hz/50V、60V、70V三檔三相SPWM波形生成的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，并給出

逆變器的輸出波形。

關(guān)鍵詞：逆變器軟件設(shè)計(jì)

給紡織機(jī)供電的一種5Hz變頻電源，由于工作場合的不同，其輸出電壓分為50V、60V、70V三檔。本文將著重討論采用單片機(jī)8098為主控芯片生成這三檔SPWM波形的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。

　　SPWM的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其原理仍然是基于正弦控制波與三角載波相交以確定開關(guān)器件通斷時(shí)刻點(diǎn)。隨著采樣方式的不同，軟件編程的方法也不同，而且還要結(jié)合硬件定時(shí)器的工作方式，因此其實(shí)現(xiàn)方法有多種多樣。本文采用了利用高級語言按照規(guī)則采樣法原理離線計(jì)算出對應(yīng)脈寬數(shù)據(jù)，由8098單片機(jī)查表實(shí)現(xiàn)輸出的方法，實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出三相線電壓為50V、60V、70V三檔5Hz低頻正弦電壓。

1規(guī)則采樣法原理

　　由于正弦波與三角波的交點(diǎn)具有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不是等距的，因此脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，不能用簡單的解析式表達(dá)。為了簡化計(jì)算工作量，使之便于工程實(shí)現(xiàn)，可以使脈沖中心由不等距改為等距。在三角載波的某一固定點(diǎn)進(jìn)行采樣，來決定PWM波出現(xiàn)與結(jié)束的時(shí)刻，而不管這一時(shí)刻正弦波與三角波是否相交，工程實(shí)踐證明由此帶來的誤差是完全可以忽略的。這樣便有意消除了兩個(gè)波形交點(diǎn)出現(xiàn)的任意性，算法就由不可解的超越方程變?yōu)榭山獾暮唵稳欠匠?。?〗

　　在本文中采用了工程上常見的基于規(guī)則采樣技術(shù)和采樣保持原理的PWM波形形成原理。其采樣頻率等于載波頻率，在載波三角波正峰值處采樣，脈沖總是對稱于載波三角波的波谷，如圖1所示。按照圖2我們就可以求得三角波的每一時(shí)刻對應(yīng)的脈寬t2。

　　由于采樣時(shí)刻和采樣值都是明確定義的，因此脈沖寬度和前后沿位置均可計(jì)算得出。若載波三角波幅度UTM定為1，控制正弦波幅度UC為M，三角的傾角為α，斜率為4/T2（T2為三角波周期），采樣值為MsinωCt。由直角三角形OBB'和OCC'相似的幾何關(guān)系可得比例式：

(t2/2)/(T2/2)=(1＋MsinωCt)/2

從而求得脈寬時(shí)間t2=T2(1＋MsinωCt)/2

　　由脈沖波形的對稱性可求得間隔時(shí)間：

t1=t3=(T2－t2)/2=T2(1－MsinωCt)/4

　　根據(jù)t1、t2、t3表達(dá)式即可完全確定正弦波一周期中各脈沖的出現(xiàn)與結(jié)束時(shí)刻。從圖1圖形上看，規(guī)則采樣法實(shí)際上是用一系列階梯狀臺階波形來逼近正弦波，因此，載波頻率ωC越高，即采樣點(diǎn)越多，精度越高。

　　對于三相逆變器，因三相對稱互差120°相位角，因而有〖2〗：

t2a=T2(1＋MsinωCt)/2

t2b=T2[1＋Msin(ωCt－120°)]/2

t2c=T2[1＋Msin(ωCt＋120°)]/2

且：t2a＋t2b＋t2c=3T2/2

t1a＋t1b＋t1c=t3a＋t3b＋t3c=3T2/4

2采樣8098實(shí)現(xiàn)SPWM波

圖1規(guī)則采樣法PWM波形

圖2PWM波的規(guī)則取樣法

2.1硬件電路

　　選擇8098單片機(jī)HSO0、HSO1、HSO2輸出三路SPWM波，經(jīng)圖3裂相延時(shí)整形互鎖電路后得到6路SPWM信號。這樣采用了硬件電路進(jìn)行裂相并由硬件電路進(jìn)行延時(shí)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，使得逆變器同一橋臂上的功率開關(guān)完成先關(guān)斷后開通的死區(qū)控制邏輯，并且避免了由于軟件失誤而造成的直通事故，從而使得驅(qū)動(dòng)電路的SPWM信號本身具有極好的可靠性。

圖3裂相延時(shí)整形互鎖電路

　　死區(qū)時(shí)間的大小主要由以下幾方面決定：驅(qū)動(dòng)電路在開通和關(guān)斷兩種模式工作時(shí)，信號傳遞延遲時(shí)間有差異；逆變器橋臂上下兩功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)不可能達(dá)到完全一致；功率器件不是理想開關(guān)，其開通和關(guān)斷都有延時(shí)且不等。

　　因此，要綜合這幾個(gè)因素來確定死區(qū)時(shí)間的長短，并給予一定的余量，總之要充分估計(jì)導(dǎo)通時(shí)控制信號到功率管開通的最小延遲時(shí)間tonmin和關(guān)斷時(shí)控制信號到功率管關(guān)斷的最大延遲時(shí)間toffmax。則死區(qū)時(shí)間可以定為toffmax－tonmin。實(shí)際中則取死區(qū)時(shí)間略大于toffmax。

　　本文采用IGBT作逆變器的功率開關(guān)管和EXB841驅(qū)動(dòng)模塊，EXB841最大延遲時(shí)間為1.5μs,IGBT一般不超過期3μs，因此本文死區(qū)時(shí)間定為5μs。

　　下面對圖3的電路原理及以參數(shù)的確定進(jìn)行分析?？梢哉J(rèn)為在比較器上不存在信號延遲。由于本電路采用LM339，其輸出為OC輸出，輸入阻抗很大。圖4為圖3電路中各點(diǎn)波形。電位器RP抽頭的電位為四個(gè)比較器的比較電壓UR?？紤]到HSO輸出電流小，因此A1作緩沖器，B1作倒相器。電壓UA1及UB1經(jīng)RC電路充放電完成延時(shí)，再經(jīng)A2、B2與參考電壓UR比較整形得輸出OUTA、OUTB。波形OUTA、OUTB相加可以得到代表死區(qū)時(shí)間的負(fù)脈沖，其寬度即為死區(qū)TD。　　

圖4各點(diǎn)的波形

圖3中A組與B組電路阻容參數(shù)對應(yīng)相同，在此以A組為例來說明阻容參數(shù)的確定。當(dāng)HSO由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，CA上電壓UA2初始值為零，并且由于LM339為OC輸出，則形成5V電源、RA1、RA2、CA、地的充電回路，時(shí)間常數(shù)tA1=(RA1＋RA2)CA,當(dāng)UA2上升至UR時(shí)，比較器A2翻轉(zhuǎn)；在HSO由高變低時(shí)CA經(jīng)RA2放電向比較器A1輸出灌入電流，其時(shí)間常數(shù)τA2=RA2·CA，由于RA2?RA1(在此RA2只是為了限制在CA放電時(shí)瞬間吸入電流不致過大),因此tA1?tA2，由于UA2=UR=VCC，其中：τA1=（RA1＋RA2）CA≈RA1CA，解此方程得死區(qū)時(shí)間TD如下：本文中死區(qū)取5μs，VCC=5V，當(dāng)UR=2.5V時(shí)，RA1CA=7.2μs

因此取CA為360P,RA1為20kΩ,RA2取100Ω。為了保證三相死區(qū)時(shí)間一致,在此取電容為高檔精密獨(dú)石電容,電阻RA1選用電阻排,電阻排采用集成制造工藝,相對精度較高。R為比較器輸出上拉電阻，可取10kΩ的電阻排。

2.2SPWM軟件設(shè)計(jì)

　　由于本系統(tǒng)的輸出為固定5Hz，電壓分三檔的三相交流，因此不存在變頻的問題，采用查表法較合

適。這樣就避免了較復(fù)雜的單片機(jī)在線計(jì)算。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用查表法可以使載波頻率提高，從而降低諧波分量，而且使CPU有空閑時(shí)間來進(jìn)行其它方面的管理。數(shù)據(jù)表可由高級語言計(jì)算獲得。

(1)數(shù)據(jù)表的獲得

　　根據(jù)規(guī)則采樣法原理可知，只要給出周期和一周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)以及相應(yīng)輸出幅度的調(diào)制比m，則輸出波形一周期內(nèi)的任意一個(gè)脈沖都可以求得。

　　本系統(tǒng)的輸出周期：

T=1/5Hz=0.2s=0.2×106μs

　調(diào)制比：其中UOUT為逆變器三相輸出線電壓，Ed為直流側(cè)直流電壓。本系統(tǒng)要求UOUT有50V、60V、70V三檔，Ed=270V，因此相應(yīng)有三個(gè)m值。所以需產(chǎn)生對應(yīng)三個(gè)電壓檔的三組數(shù)據(jù)表。

　　由于逆變器輸出為三相正弦波，具有相同的幅度，只是在相位上互差120°,因此它們每一周期內(nèi)具有相同的脈沖波,即脈沖寬度和個(gè)數(shù)是完全相同的,因此只需求一相的數(shù)據(jù)表即可。三相查表時(shí),以互差120°的方式進(jìn)行查取。為了便于8098實(shí)現(xiàn)，在此表格中的一組數(shù)據(jù)為：[t2/2,t1],對于一周期（0～2π）內(nèi)有P個(gè)脈沖，本文8098采用6MHz的晶振，時(shí)鐘周期為0.5μs，而HSO的時(shí)間分辨率為8倍時(shí)鐘周期即4μs，因此（t2/2）N，(t1/2)N還需按4μs進(jìn)行量化，其量化誤差最大為2μs。另外HSO裝入的數(shù)據(jù)應(yīng)是16位字長的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)都按16位字長存儲，第N個(gè)脈沖的數(shù)據(jù)存儲格式為：[(t2/2）N/0.000004]16bTTS，[(t1/2）N/0.000004]16bTTS，一個(gè)數(shù)據(jù)表有201組這樣的數(shù)據(jù)組成。對應(yīng)于50V、60V、70V三個(gè)檔位我們得到三組數(shù)據(jù)表，分別存儲于TABLE50、TABLE60、TABLE70為表頭的三個(gè)區(qū)域中。在運(yùn)行時(shí)，只要地址指針定位于三個(gè)表頭中的某一個(gè)，即可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)輸出電壓。

　　在實(shí)踐中，采用了高級語言離線編程來取得三組數(shù)據(jù)表存于EPROM中，在程序運(yùn)行中要求輸出PWM波時(shí)，只需查表取值、定時(shí)就可以了。

(2)波形輸出

　　SPWM波輸出由4個(gè)HSO完成。HSO0、HSO1、HSO2作為三路SPWM波輸出口，HSO3定時(shí)中斷，作為時(shí)間基準(zhǔn)，HSO3定時(shí)中斷時(shí)間為T2/2，每中斷一次輸出半個(gè)脈沖波，一個(gè)周期輸出201個(gè)脈沖波需中斷201×2=402次,在中斷服務(wù)程序中,CPU將t1、t2、T/2值和控制字加載到HSO各口，然后返回主程序，重復(fù)上述過程，就可以輸出連續(xù)的SPWM波。SPWM波輸出框圖如圖5所示。

圖5SPWM波輸出框圖

3結(jié)論

　　采用上述方法生成的SPWM波經(jīng)逆變器輸出的頻率為5Hz的電流、電壓波形如圖6所示。由圖可見：波形正確、良好。

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（a）電壓波形(b)電流波形
圖65Hz電流、電壓波形