一种基于正弦脉宽调制技术的电源设计方法

1、第21卷第1期西安工业学院学报Vol121No112001年3月JOURNALOFXIpANINSTITUTEOFTECHNOLOGYMar12001一种基于正弦脉宽调制技术的交流电源设计方法X段磊强,张志文(西安工业学院电子信息科学与工程系,陕西西安710032)摘要:探讨了一种由正弦脉宽调制技术(SPWM)产生正弦波的方法.在试验装置上利用MOSFET管组成的全桥式逆变电路和单片机80C196,通过查表和在线计算相结合的方法使输出的SPWM波形在闭环电路的作用下经滤波后得到频率稳定、波形精度高的正弦交流电.关键词:电源;微处理机;逆变器;正弦脉宽调制技术(SPWM)中图号:TM835.1文

2、献标识码:A文章编号:100025714(2001)0120046205AdesignmethodforSPWM2basedalternatingpowersupplyDUANLei2qiang,ZHANGZhi2wen(DeptofElctEngr,XianInstofTech,Xian710032,China)Abstract:ASPWM-basedmethodtocreatsinusoidalwaveisproposed.Intheequipment,thesingle2chipmicroprocessor80C196andinvertercircuitmadeofMOSFETareus

3、ed,thismethod,tehmethodcanresultinSPWMwavebyconsulttableandinlinecalculatation,outputshighprecise,stabiliaed2frequencyssinusoidalwaveinthefunctionofclosedcircuitandfilter.KeyWords:powersupply;microprocessor;inverter;sinusoidalpulsewavemodulation(SPWM)引言在电力设备参数的高压测试中,经常需要一种在一定范围内电压连续可调、波形失真小、频率稳定的电源,

4、以前多直接采用升压变压器获得高压,通过继电器改变变压器变比实现电压的调整,因其只有有限个离散点,所以效率低、电压调节不便;另一方面,输出波形因与市电波形相同,所以失真严重,加上器件老化和干扰等因素,造成了测量结果很大程度上偏离真实值.考虑到目前微机的应用状况和电力电子技术的发展水平,若采用一种数字化技X收稿日期:2000205231作者简介:段磊强(1974-),男(汉族),西安工业学院硕士研究生.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期段磊强等:一种基于正弦脉宽调制技术的

5、交流电源设计方法47术,即利用微处理器和开关元器件将使得这种电源做到调节灵活、性能可靠.目前,正弦脉宽调制技术(SPWM)在开关电源的设计中获得了广泛的应用,其特征是用微处理器生成SPWM驱动信号,通常有查表和实时计算两种方法.查表法要通过三角载波和正弦调制波相比较来确定开关时刻,它是根据不同的调制度和调制信号的角频率先离线计算出个开关器件的通断时刻,把计算结果存于EPROM中,运行时查表读出所需要的数据进行实时控制;实时计算法不进行离线计算,而是运行时在线计算所需的数据.上述两种方法因自身特点的不同,各自有具体的应用场合,在实际中也有将这两种方法相结合的方法,即先离线进行必要的计算并将运算结

6、果存入存贮器,运行时再进行较为简单的在线计算,这样既可保证一定的准确性,又不会占用大量的时间1.但是在电源设计领域,尤其是高压稳压稳频电源的设计方面,这种方法还没有相应的应用,下面通过对SPWM方法的分析来探讨一种实际可行的电源设计方法.1产生SPWM波的方法SPWM法的思路是使每一载波周期内逆变器输出脉冲面积和在同一载波周期内希望得到的正弦波面积相等,也称面积相等法.它不像模拟方法需要有正弦参考波与三角载波的比较才能产生SPWM波形,这里不需要三角载波,只需要定出载波周期2.对一个给定的电压期望值,可以将一个周期的正弦交流电划分为若干个相等的时间间隔,正弦波每一小区间的面积可以由具有一定宽度

7、和幅值的脉冲波来等效,这就是等面积法产生SPWM波的原理3.等面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点,其方法是把半个周期的正弦波分成N等份,如图1所示,然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替,即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等.同样正弦波的负半周也可用该方法来等效.N的多少就意味着SPWM信号的调制频率高低,调制频率越高正弦波的波形越好,但频率的选择又受元件频率特性的限制.SPWM波经开图1等效原理图关管输出的控制方法有两种:一种是单极性,另一种是双极性.单极性的驱动方法简单,但产生的

8、波形失真较大;双极性的控制电路虽然相对复杂,但输出波形较为理想,所以一般多采用双极性的方法.在控制中,由一片ROM及80C196内部的RAM即可产生SPWM波形.根据上述原理,设计了一种电源,其电压在500010000V范围内连续可调,由于采用查表和在线计算相结合的方法,使输出电压的精度得到保证,同时又满足了实时性的要求.2工作原理及系统结构电源的工作原理是:操作员通过输入接口电路向16位微处理器设定所要得到的正弦电压值,微处理器根据电压标称值,产生对应的SPWM信号,此信号经驱动环节驱动便会在逆变桥的输出产生功率SPWM波,再经过滤波以后就得到要求的正弦波.由于滤波器造成的信号损失、市电的波

9、动等因素的影响,输出的正弦电压值可能会偏离期望值,所以要从逆变© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.西安工业学院学报第21卷48器输出端进行电流和电压取样,取样值经整流滤波后,通过光电耦合回路及A/D转换反馈至单片机,CPU再与设定的电压、电流值进行比较.如果发生过流现象,则立即采取相应的保护措施、停止脉冲输出;如果偏离电压期望值,则相应改变SPWM波的宽度以稳定输出,图2中的变压输出部分是一个副原线圈匝数比很高的升压变压器,在这个变压器的作用下将电压升至期望值.出于简化的考虑

10、在图中没有给出能量缓冲吸收环节.显然,计算机的在线计算给系统的控制带来了很大的灵活性.图2为系统的结构框图,其中的80C196单片机系统是整个系统工作的核心,用于产生SPWM驱动信号;由四个MOSFET管组成的逆变桥是主控电路的主要部分,因为MOSFET工作频率高、驱动电路简单、工作损耗低,所以较好地满足了设计要求.图2系统结构框图3软件设计假设希望输出的正弦电压的参数曲线为Umsint,如图1所示:从ti到ti+1这一区间正弦波与坐标轴围成的面积为Umii+1sintdt=()costi-costi+1ti+1-ti=T设Ud为逆变桥输出脉冲交流电压幅值,令脉冲面积和这段正弦波面积相等(-2

11、)×Ud=U()costi-costi+1(1)(2)所以又(2)式得由(1)式、-2=(costi-costi+1)Ud+2=T=(costi-costi+1)+T2Ud2=(costi-costi+1)-T2Ud如果将一个正弦波分成2N等份,显然对任一Um将与一组costi-costi+1值(i=1,2,2N-1,2N)建立一个对应关系4.在ti到ti+1这一区间内,一组桥回路的导通时间为,另一组桥回路的导通时间为2,在双极性控制中,单片机要输出两路SPWM波,一路和2为正半周,一路为负半周,所以可将作为单片机两个定时器初值,在调度程序的作用下,通过脉冲输出脚发出这两路波形.因为

12、、Ud均为常数,由公式可以看出Um与两和2组由的值构成的线性表成正比关系.考虑到正弦波的对称性,只需将1/4周期的和2数值存入EPROM中,分别将对应的一组数值构成一个线性表,如果EPROM中© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期段磊强等:一种基于正弦脉宽调制技术的交流电源设计方法49和2存储的是逆变器所能输出的最大幅值Um所对应的一系列值,此时开关管导通时的占空比也最大,那么可将Um的值作为标幺值.如图3所示:Um是这种设计方法所能产生的最大电压值,Um的值通过理论计算

13、来获得.将期望产生电压Uo与Um相比较作为确定输出脉冲宽度的比例系数,可记为K1;经过一个交流电周期后得到一个实际输出电压U,一般来说,它与Uo是不相等的,设K2=Uo/U,K2的作用是确定偏差量,在下一个工作周期到来的时候,根据K2改变比例系数K,K=K1和2K2,K与一系列值相乘后分别送两个定时器初值,这样就达到了调节开关管占空比改变输出电压有效值的目的.在图1中之所以将负半周的脉冲输出等分为两个相等的时间段是为了便于理解,在实际控制中,这一脉冲输出所驱动的开关管在一个T时间内仍然只工作一次.整个方法的工作流程如图3所示,其中控制系统运行、键盘处理、外部事件判定和响应等功能由主程序完成,而

14、SPWM波的输出则通过定时器由外部中断子程序完成5.由于一般开关器件的开通时间小于关断时间,因此如果将互补的控制信号加到同一桥臂两个开关器件的控制极上,那么这两个开关器件将会发生短路,其后果是严重的,所以在程序中设置了一个控制死区时间其大小为510s的时间间隔.其它参数设置如下:开关管的工作频率f=10kHz,交流电的频率是50Hz,一个交流电周期将被分成2N=200个区间,开关管工作的最大占空比为50%.4方法评价如图4所示,图中描绘出了所设计方法在要求输出8000V高压时所产生的实际波形,图中纵轴每个格表示50V的电压,所测数据是在升压变压器的原线圈取得,升压变压器的原副线圈的升压比为11

15、00,从图上可以看出输出电压的幅值在110115V范围图3软件流程图内,经估算可知副线圈输出的电压有效值接近8000V,说明输出精度3%;另一方面,因该方法采用闭环控制的方法不断检测输出电压使得该方案具备了自图4输出波形图校准性,因而输出电压稳定性好.这就证明了硬件设计合理、软件编程得当,产生SPWM波的方法是可行的;但是,输出波形仍存在一定量的失真,并非严格意义上的正弦波,原因是死区效应的存在,使得精确设计的SPWM控制信号不能准确无误地加到主电路开关器件的控制极,从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.西安工业学院学报第21卷50总体上来看,该系统具有以下特点:电路简单实用;采用等面积化了的SPWM技术,在功率主电路复杂性不增加的前提下减小了输出谐波、优化了系统的性能指标;采用在线计算和查表技术相结合,较好地解决了输出精度和输出实时性的矛盾;用软件产生SPWM波,输出电压调节灵活、稳定可靠.参考文献:1王兆安,黄俊.电力电子变流技术M