PWM波形生成原理

脈寬調(diào)制(Pulse-WidthModulation,PWM)技術在電力電子領域的應用極其廣泛。PWM模式是決定逆變器輸出電壓特性的根本。性能優(yōu)越的PWM模式可以使逆變器具有良好的輸出特性。由傅里葉分析可知,不對稱波形會帶來大量低次諧波、偶次諧波以及余弦項。因此PWM脈沖波形的對稱性對輸出特性有很大影響。PWM的實現(xiàn)方法一般有兩種：比較法和計算法。隨著數(shù)字技術的迅速發(fā)展和計算機功能的提高,計算法以其方便靈活的特點成為PWM實現(xiàn)方法的主流。采用計算法實現(xiàn)PWM時，按照每個載波周期內(nèi)調(diào)制波的取法，可以分為規(guī)則采樣PWM和自然采樣PWM。其中,采用規(guī)則采樣法，計算簡單，占用系統(tǒng)軟件資源較少，因而應用比較廣泛；但是由規(guī)則采樣法計算出的PWM波形，在系統(tǒng)載波頻率較低時，輸出精度差，并且在計算時需要通過查表確定計算結果，所以并不能保證其波形的對稱性，諧波含量也會因為波形的不對稱而增加。對于調(diào)制類PWM,有三種方式：同步調(diào)制，異步調(diào)制，分段同步調(diào)制三種方式。同步調(diào)制雖然可以在調(diào)制波頻率變化的所有范圍內(nèi)，載波與調(diào)制波的相位相同，PWM波形一直保持對稱，輸出諧波的低次諧波可以得到消除。但是在載波頻率變化范圍大時，電力電子器件的開關頻率變化范圍大，在低頻時，將給系統(tǒng)引入大量較低頻率的諧波。異步調(diào)制的優(yōu)點在于載波頻率在調(diào)速過程中載波不變，高次諧波對系統(tǒng)的影響基本固定，可以彌補同步調(diào)制的缺點。但是異步調(diào)制無法在大部分頻率點上都保證調(diào)制波與載波相位相對的固定，出現(xiàn)不對稱波形，會給系統(tǒng)引入大量的低次諧波、偶次諧波和余弦項。分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點，但在波比切換時可能出現(xiàn)電壓突變，甚至震蕩?；谝陨侠碚?，本文提出一種新的PWM算法，可以在異步調(diào)制下，使PWM波形在T/2周期內(nèi)始終保持關于T/4周期的完全對稱。1PWM算法原理在用數(shù)字化控制技術產(chǎn)生PWM脈沖時，三角載波實際上是不存在的，完全由軟件及硬件定時器代替，圖1為三角載波的產(chǎn)生原理（Ttimer為定時器的值）用階梯波代替模擬三角波。PWM脈沖的產(chǎn)生機理為：定時器重復按照PWM周期進行計數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，比較寄存器中的值與定時器計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時，PWM輸出就會跳變；當兩個值產(chǎn)生二次匹配或者一個定時器的周期結束時，就會產(chǎn)生第二次輸出跳變。通過這種方式就會產(chǎn)生一個周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復完成計數(shù)、匹配輸出的過程，產(chǎn)生PWM信號，如圖2所示。圖n軟字応控嗣嚴生尸刊"估號機程基于數(shù)字化控制技術產(chǎn)生PWM脈沖的這種特點，利用本文提出的算法，可以實現(xiàn)在任何頻率下產(chǎn)生完全對稱的PWM波形。其原理為：根據(jù)三角載波頻率及DSP系統(tǒng)時鐘頻率確定定時器周期，利用數(shù)學計算方法，將形成載波的定時器周期等分，均分后所得到的數(shù)作為脈寬增量單元，隨時間遞增。脈寬以脈寬增量為單元成比例地增加或減少。三角載波由軟件及硬件定時器形成，三角載波的頻率由時鐘頻率及定時器的周期值決定。根據(jù)需要可以選取一個定時器周期T1,以確定調(diào)頻過程中的固定載波頻率。由于載波頻率不變，故整個調(diào)頻過程的載波比是變動的，可先設定在一個固定的輸出波頻率fl下的載波比為nl,對所需的輸出頻率f(對應的周期為T)進行處理，如式(1)所示，x為f處理后的值。圖3所示為均分載波的原理圖，將定時器的周期進行等分為n1/(4x)份，則每份的寬度叫可由式(2)確定：f1/1=fx(1)①=4Tlx/nl(2)式中：co為脈寬增量的最小單元。在確定了脈寬增量的最小單元值之后，以o為增量單元，隨時間遞增，依次增大或減小占空比的值。占空比的增大過程為：第一個裝載占空比為o第二個裝載占空比為2o,第三個裝載占空比為3o,第y個裝載占空比的值為yo,占空比的值以此規(guī)律依次增加。式⑶為脈寬遞增時占空比值DC更新規(guī)律的數(shù)學表達式。式中K的值是為滿足沖量定理所需的系數(shù),將在后面做詳細的計算和論述。ff=frill當輸出脈沖達到最大寬度MAX(DC)時，a計數(shù)值也達到最大值MAX(a),已完成T/4周期的脈沖輸出。此時，占空比從最大寬度依次減小，減小的規(guī)律為ys,(y-l)s，直至sO式(4)為脈寬遞減時占空比值DC'更新規(guī)律的數(shù)學表達式。其中，DC'的初始值為MAX(DC)，a'的初始值為MAX(a)。由以上原理可以看出，PWM波形在T/2內(nèi)關于T/4完全對稱，圖4所示為占空比更新的原理圖。由上述分析，載波頻率在整個過程中是固定值，所以具備了異步調(diào)制的優(yōu)點。同時，脈寬是完全由形成載波的時鐘數(shù)量、期望輸出波的頻率因素決定，而不是由查表得到，可以克服異步調(diào)制時大多數(shù)情況下載波與調(diào)制波相位不同步的缺點。此種算法綜合了同步和異步調(diào)制的優(yōu)點，避免了采用分段同步調(diào)制時需要考慮調(diào)頻的問題。PWM的基本依據(jù)是面積相等原理，即沖量(面積)相等不同形狀的窄脈沖加到慣性環(huán)節(jié)上在保證波形對稱的基礎上，討論該算法對沖量相等原則的實現(xiàn)。以正弦調(diào)制為例，當調(diào)制波為正弦波時，根據(jù)面積相等原則，其正弦半波積分的面積等于脈沖相加之和，如式(5)所示。\sin刪=KS ⑸Jo，其作用效果基本相同。根據(jù)占空比更新原理可以確定沖量面積，如式(6)所示。根據(jù)以上公式，可準確計算輸出波形面積，K值的選取可決定輸出電壓的幅值。2實驗結果為了驗證提出的PWM算法的正確性和可行性，利用TI公司的TMS320F2812進行實驗；系統(tǒng)采用30MHz外部晶振，通用定時器時鐘的頻率由系統(tǒng)5倍頻后，再6分頻得到，為25MHz。該實驗采用的載波頻率為fz=lkHz，定時器周期值T1=12500。輸出頻率fl=50Hz時，載波比nl=20。選擇在定時器達到周期值時裝載更新占空比的值，相當于在三角載波的波峰時裝載。實驗結果見圖5(UPWM為PWM脈沖幅值)：圖5(a)為單極性調(diào)制時采用該算法得到的輸出波形，它是50Hz正弦波調(diào)制時正半周期的輸出波形；圖5(b)是43Hz正弦波調(diào)制時正半周期的輸出波形；圖5(c)是50Hz單極性調(diào)制時，正弦波PWM脈沖波形的能譜分析圖；圖5(d)是43Hz單極性調(diào)制時正弦波PWM脈沖波形的能譜分析圖。tiT'00mt'癥tiT'00mt'癥>5^3^% 132血：血■血門就c&omddsiM嗣山河何WHzMFWMK^CNttKfirKl*i}_■——_一 flii?)200e3(OTJQ005OOO6WO70WB000-500010000(dl4j?!/r/