CN103178851A - 一种产生spwm控制信号的新型采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，根据数学上线性组合的方式构造出虚拟的采样点，以减少现实中采样点的个数；采用线性外推的运算方法求取载波和调制波自然交点时刻的近似值，从而获得更高的脉宽控制精度；按照正弦的规律完成了对整流（逆变）器中各功率管开通、关断状态的控制。该采样方法的采样点个数与传统对称规则采样法的一致，但其脉宽控制的精度却高于传统的规则采样法和现常见的变极性规则采样、两点式规则采样、四点式规则采样、线性组合采样和线性外推采样法等，其输出电压的谐波含量较小，且基于DSP的硬件设计时易于编程，人机交互性好，能灵活地对程序进行修改，以满足各种场合下的需求，主要应用于整流器和逆变器中。

Description

一种产生SPWM控制信号的新型采样方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子领域，具体涉及一种产生SPWM控制信号的新型采样方法。

背景技术

近年来，随着微处理机技术、计算机技术和电力电子技术的发展，基于数字信号处理器（Digital Signal  Processor，简称DSP）的脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）技术被广泛应用到三相电机控制、变频器、整流器和逆变器等系统之中。在各种PWM控制方式中，正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM，简称SPWM）技术因其算法简单、易于硬件实现、谐波含量较小以及能动态地修改幅值和频率等优点而得到了广泛的应用。

SPWM调制技术的基本调制原理是根据“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的原理，使变频器产生一个等幅不等宽的方波脉冲序列与正弦波等效，通过改变调制波的幅值和频率大小来调节变频器输出电压的幅值和频率。至今，已有不少前人对基于DSP的SPWM波形发生器进行了研究，其常见的采样式产生方法有：自然采样法，对称规则采样法，不对称规则采样法，改进式不对称规则采样、峰值型规则采样、第一类切线采样、第二类切线采样、第三类切线采样、割线采样、变极性规则采样、两点式规则采样、四点式规则采样、线性组合采样和线性外推采样法等。最传统的采样法有：

自然采样法：通过高频三角载波和正弦调制波的交点来确定开关的切换时刻，是目前最好的一种产生SPWM波的采样方法，但是它的采样点和开关切换点重合，采样点不能预先确定，需要通过数值迭代的方法实时求解超越方程，不易于数字化实现。

对称规则采样法：在每个载波周期的波谷时刻对正弦调制波进行采样，利用采样值生成一个阶梯型的正弦波与三角载波相交，由交点确定开关点的切换时刻。该采样方法采样点个数少，数值上等于载波比的值N，算法简单，但是精确度不高。

不对称规则采样法：在每个载波周期的波峰和波谷时刻均对正弦调制波进行采样，利用采样值生成一个阶梯型的正弦波与三角载波相交，由交点确定开关点的切换时刻。该采样方法采样点个数为2*N，算法简单，精确度比传统的对称规则采样高，。

后来，前人还提出了很多改进的采样方法，各种采样方法相对于自然采样法的开关时刻误差等级和采样点个数的比较如表1所示，表中开关时刻误差越小，则等级数越大，假设载波比为N。

采样方法	误差等级	采样点个数	采样方法	误差等级	采样点个数
						对称规则采样	2	N	半全周期规则采样	5	2N
不对称规则采样	1	2N	线性外推采样法	7	2N
						改进式不对称采样	5	2N	割线采样法	9	2N
峰值型规则采样	3	N	变极性规则采样	4	N
						第一类切线采样	8	N	两点式规则采样	5	2N
第二类切线采样	9	N	四点式规则采样	6	3N
						线性组合采样	1	N	组合线性外推采样	10	N

。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，本发明易于数字化实现，节省DSP硬件资源，脉冲触发时间误差小。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，包括以下步骤：

    步骤1）检测输入信号，通过外部输入获取调制波频率f_s、调制度m_a、载波比N和死去时间t_s的参数，并累计保存相邻的两个“载波峰值采样点”的值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)；

    步骤2)根据步骤1所得的相邻两个采样值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)，通过数学的线性组合方法，构造出一个虚拟“载波谷值采样点”的值sin(ω·t_c)，sin(ω·t_c)=A·sin(ω·t_a)+B·sin(ω·t_b)，t_b=t_c+T_c/2=t_a+T_c，T_c为载波周期值，解得A=B=                                               

，并运用这三个“采样点”计算出使DSP输出SPWM波形的寄存器比较值，形成一个半调制波周期的高低电平跳变时刻表，保存在DSP的内存中;

步骤3）产生三相对称SPWM波，使用步骤2所得到的半调制波周期的高低电平跳变时刻表，根据正弦调制波的对称性和三相对称正弦波的相位差性质，产生三相对称的SPWM控制信号波形。

进一步的，所述步骤1）中采样范围为每个调制波周期的正半周。

进一步的，所述步骤3）中相位差为360°除以SPWM波的路数。

本发明的有益效果是:

1、充分利用了DSP运算速度快的优势，减少了低速的A/D采样工作，提高了系统的实时性；

2、推导出计算开关时刻点的公式，简化了程序的编写，更易于把该新方法用数字化实现；

3、与其他常见的采样方法相比输出波形谐波小，三相对称性好，精度高，变频方便。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明组合线性外推采样法原理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，包括以下步骤：

    步骤1）检测输入信号，通过外部输入获取调制波频率f_s、调制度m_a、载波比N和死去时间t_s的参数，并累计保存相邻的两个“载波峰值采样点”的值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)；

    步骤2)根据步骤1所得的相邻两个采样值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)，通过数学的线性组合方法，构造出一个虚拟“载波谷值采样点”的值sin(ω·t_c)，sin(ω·t_c)=A·sin(ω·t_a)+B·sin(ω·t_b)，t_b=t_c+T_c/2=t_a+T_c，T_c为载波周期值，解得A=B=

，并运用这三个“采样点”计算出使DSP输出SPWM波形的寄存器比较值，形成一个半调制波周期的高低电平跳变时刻表，保存在DSP的内存中;

步骤3）产生三相对称SPWM波，使用步骤2所得到的半调制波周期的高低电平跳变时刻表，根据正弦调制波的对称性和三相对称正弦波的相位差性质，产生三相对称的SPWM控制信号波形。

进一步的，所述步骤1）中采样范围为每个调制波周期的正半周。

进一步的，所述步骤3）中相位差为360°除以SPWM波的路数。

本实施例的工作原理如下：

1）运用数学上线性组合的原理利用波峰（或波谷）的采样点值构造出虚拟的波谷（或波峰）的采样点值：设在载波周期为Ts的第K和K+1个三角载波周期内，载波的峰值点时刻Ta、Tb对正弦调制波进行采样，采样点为点A和点B；构造谷值点时刻Tc的虚拟采样点C与点A、点B之间的代数关系式：

sin(ω·t_c)=A·sin(ω·t_a)+B·sin(ω·t_b)    （1）

上式中A、B为待定的系数，已知T_S=

且T_b=T_c+T_S/2=T_S+T_a，N为载波比的值。代入（1）式解得：

A=B=

=

           （2）

一般情况下，当载波比N取值比较大时，π<<N，则COS(π/N)→1，因此有A=B=0.5，代入（1）式得：

sin(ω·T_c)=[sin(ω·T_a)+sin(ω·T_b)]/2       （3）

对该数值趋近的等效误差进行分析，当N≥12时，           ｜（

-

）｜/

≤3.5276%，因此，当载波比N取值足够大时，由（3）式计算所得的谷值点虚拟采样值就能完全等效于实际谷值点的采样值，省去了对谷值点的实际采样步骤，从而使采样的次数足足减少了一半，，节约了CPU运算时间，提高了系统的实时性。

2）如图1所示，采用线性外推的运算方法求取载波和调制波自然交点时刻的近似值：设在载波周期为Ts的第K-1、K和K+1个三角载波周期内，载波的峰值点时刻T_K-1、T_K和T_K+1对正弦调制波进行采样，采样点为A_K-1、A_K和A_K+1（采样点的值也对应表示为A_K-1、A_K和A_K+1），运用上述线性组合的原理构造出T_K-1-B和T_K+1-B谷值点时刻的采样点B_K-1和B_K（采样点的值也对应表示为B_K-1和B_K，其中T_K-1<T_K-1-B<T_K<T_K+1-B<T_K+1），则B_K-1A_K的延长线必与三角载波相较于点（T_K-on,SK-on），此点就作为开关器件导通的时刻点；而B_KA_K的延长线必与三角载波相较于点（T_K-off,SK-off），此点就作为开关器件关断的时刻点；如此类推，可得确定开关器件导通关断的规律如下：每个波峰采样点和其前一个“虚拟波谷采样点”的反向延长线与三角载波的交点确定开关器件的导通时刻，与其后一个“虚拟波谷采样点”的反向延长线与三角载波的交点确定开关器件的关断时刻。建立坐标系，列写数学方程即可解的：

 

         （4）这个方程算式需要改成前面类型的，不能以类似图片插图的模式放在这，其他地方已修改。

   利用DSP的上溢中断，即可确定并识别T_K和T_K+1时刻，所以各个载波周期的开关通断时刻T_K-on和T_K+1-off即可一一确定并产生对应的SPWM控制波形了。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，其特征在于：包括以下步骤：

     步骤1）检测输入信号，通过外部输入获取调制波频率f_s、调制度m_a、载波比N和死去时间t_s的参数，并累计保存相邻的两个“载波峰值采样点”的值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)；

     步骤2)根据步骤1所得的相邻两个采样值sin(ω·t_a)和sin(ω·t_b)，通过数学的线性组合方法，构造出一个虚拟“载波谷值采样点”的值sin(ω·t_c)，sin(ω·t_c)=A·sin(ω·t_a)+B·sin(ω·t_b)，t_b=t_c+T_c/2=t_a+T_c，T_c为载波周期值，解得A=B=                                               

，并运用这三个“采样点”计算出使DSP输出SPWM波形的寄存器比较值，形成一个半调制波周期的高低电平跳变时刻表，保存在DSP的内存中;

步骤3）产生三相对称SPWM波，使用步骤2所得到的半调制波周期的高低电平跳变时刻表，根据正弦调制波的对称性和三相对称正弦波的相位差性质，产生三相对称的SPWM控制信号波形。

2.根据权利要求1所述的一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，其特征在于：所述步骤1）中采样范围为每个调制波周期的正半周。

3.根据权利要求1所述的一种产生SPWM控制信号的新型采样方法，其特征在于：所述步骤3）中相位差为360°除以SPWM波的路数。

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