电力电子控制技术基础与实践 课件 第2章 正弦波脉宽调制

电力电子控制技术基础与实践电力电子控制技术基础与实践上篇 1. 脉冲宽度调制 2. 正弦波脉宽调制

3. 信号滤波 4. 反馈控制 5. 坐标变换 6. 空间电压矢量脉宽调制 下篇 7. 电力电子技术的PLECS仿真实验 8. 电力电子技术的实验箱实验 电力电子控制技术基础与实践2. 正弦波脉宽调制

2.1 SPWM信号参数 2.2 SPWM生成方法 2.3 SPWM控制方案 2.4 SPWM的电路实现 2.5 STC8微控制器的SPWM实现 2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现 2.1 SPWM信号参数2.2.1载波比N=fc/fr（载波频率fc，调制信号频率fr）异步调制同步调制分段同步调制2.2.2调制度M=Ur/Uc，通常情况下0<M≤12.2.3总谐波畸变率周期性交流量中谐波含量方均根值（即有效值）和其基波分量方均根值之比图2-1SPWM原理图PWM脉冲的宽度按正弦规律变化，为正弦波脉宽调制SPWM2.2 SPWM生成方法2.2.1面积等效法（计算法）按照面积相等的原理，通过积分等运算解出各脉冲的宽度和间隔来生成SPWM第k个区间的脉冲宽度ΔkM为调制度N为一个周期内的脉冲个数面积等效法，计算较繁琐，计算量大，使用较少。2.2 SPWM生成方法2.2.2跟踪法滞环比较方式滞环环宽△I对跟踪性能有较大的影响。环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大。环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关损耗随之增大。电抗器L1可起到限制电流变化率的作用。。图2-3电流跟踪滞环比较控制原理图和波形图2.2 SPWM生成方法2.2.2跟踪法三角波比较方式三角波比较方式不是参考信号和三角波直接比较产生PWM波形，而是电压比较器比较三角波信号和(I-I_ref)信号，三角波为载波。电流跟踪型三角波图2-4电流跟踪型三角波比较方式产生PWM原理图2.2 SPWM生成方法2.2.3调制法自然采样法规则采样法对称规则采样法不对称规则采样法（1）自然采样法在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断图2-5三角载波和正弦波比较产生SPWM的模型、波形图自然采样法原理2.2 SPWM生成方法（2）对称规则采样法以每个三角波的对称轴（顶点对称轴或低点对称轴）所对应的时间作为采样时刻，过三角波的对称轴与正弦波的交点，做平行t轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开”和“关”的时刻。图2-6对称规则采样法对称规则采样法原理2.2 SPWM生成方法（3）不对称规则采样法每个载波周期采样两次，顶点、底点各一次，顶点对应时刻t1、底点对应时刻t2。采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。图2-7不对称规则采样法不对称规则采样法原理对称规则采样法ton不对称规则采样法ton2.2 SPWM生成方法2.3 SPWM控制方案2.3.1单极性SPWM单极性SPWM所得的信号有正、负和0三种电平图2-8单极性SPWM2.3 SPWM控制方案图2-9单极性SPWM驱动桥式逆变电路2.3 SPWM控制方案2.3.2双极性SPWM信号电平极性有两种：1和-1。2.3 SPWM控制方案图2-11双极性SPWM驱动桥式逆变电路原理图、驱动信号2.3 SPWM控制方案2.3.3倍频式SPWM将载频倍频输入，形成倍频式SPWM。倍频式SPWM逆变电路指输出电压等效载波频率fcp是逆变器件开关频率fc的2倍。图2-12倍频式SPWM逆变电路原理图和波形图2.3 SPWM控制方案特点比较单极性SPWM①基波成分与调制波信号成线性关系。②不含载波谐波。③不含k为偶数次的谐波。④谐波出现在载波频率附近。双极性SPWM①在载波比足够大，调制比小于1的时候，基波成分与调制信号成线性关系。②不含偶数次载波谐波。③谐波出现在载波频率整数倍频率附近。倍频SPWM①基波成分与调制波信号成线性关系。②不含载波谐波。③不含偶数次谐波。④谐波出现在载波频率偶数倍频率附近。2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWM仿真模型

图2-13三相SPWM逆变仿真电路模型2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWMSPWM信号图2-14三相正弦信号、三角载波信号、三个桥臂的驱动信号2.3 SPWM控制方案2.3.4三相SPWM逆变波形图2-15逆变电路的相电压波形、线电压波形、线电压的滤波后波形图2.4 SPWM的电路实现专用的SPWM集成电路产生SPWM信号TDS4578、TDS2285等通用集成电路产生SPWM信号使用信号发生器产生正弦波与三角波相比较调制产生SPWM的逆变电路例电路包括多个模块电路：正弦波发生电路、三角波发生电路、SPWM发生电路、反相延迟隔离电路、驱动电路、桥式电路、电源与插座电路。XR2206是单片函数发生器集成电路，能够产生正弦、三角波，RP8、RP13调节工作频率。RP4正弦波对称性调整，RP5为THD调节，RP6为输出幅值调节正弦波频率2.4 SPWM的电路实现2.4 SPWM的电路实现调制信号sin、载波tri与SPWM（分别为通道1、2、3），输出电容C4两端电压波形为正弦波。调制信号约50Hz，三角载波频率要远高于（10倍以上）调制信号频率，三角载波频率越高输出正弦波的谐波幅值越小。图2-17调制信号sin、载波tri与SPWM信号波形图2.5 STC8微控制器的SPWM实现2.5.1STC8微控制器软件模拟法产生SPWM信号硬件环境：使用STC8A8K64S4微控制器验证，12MHz系统工作频率，端口P1.1输出信号。微控制器默认12T工作模式，每个计时脉冲时间12/12MHz=1μs。也可以设置AUXR=0x80，提高工作频率，微控制器运行在1T工作模式。定时器T0工作在16位定时模式1，不自动重装载，用于产生SPWM波形的定时。将每个载波周期内的Tpwh、Tpwl依次写入数组x[]、y[]，每个数组有24个值。2.5 STC8微控制器的SPWM实现2.5.1STC8微控制器软件模拟法产生SPWM信号fc=Nfr=1200Hz，

Tc=1/(Nfr)=1/1200s,在12T模式工作模式下，高低电平T0计数值（周期）约834，用对称规则采样法的数学模型公式Tpwh、Tpwl计算TH0和TL0的值。TH0共24个值。软件包括初始化、主程序、定时器中断程序。①初始化程序完成定时器T0的设置。②主程序空循环。③定时中断程序在中断发生时，输出端口电平翻转，并按照x[]的值顺序修改定时器的中断值，直到所有x[]的值取完后从头重复取值。程序（略）2.5 STC8微控制器的SPWM实现有误差，只能用于频率精度要求不高的场合。为减小误差，可以修正x[]值、提高运行频率、或单独使用另一个定时器提供载波周期等方法。图2-18示波器测试SPWM波形图2.5 STC8微控制器的SPWM实现2.5.2互补两路带死区的SPWM程序硬件环境：STC8A8K64S4微控制器，PWM发生器外设，10kHz载波频率，50Hz信号频率。P5.2端口接LED用于运行指示，使用PWM3和PWM4，端口输出P2.3和P2.4。微控制器晶振频率24MHz，启用PWM中断。软件模块：①初始化程序完成T_SinTable[]赋值，PWM模块等初始化程序。②main函数流程：串口初始化，PWM模块初始化，开全局中断，循环LED翻转显示。③PWM中断函数流程：清除中断标志，查表T_SinTable[]取值，死区修正，赋值PWM，串口输出PWM值，修改SPWM查表索引值至下一个数，用串口传输当前的SPWM脉宽值，中断返回。对称规则采样法对称规则采样法产生SPWM非对称规则采样法对称规则采样法产生SPWM135.

j=T_SinTable[PWM_Index];136. 137. PWM3T1H=0;

138. PWM3T1L=0;139. PWM4T1H=(u8)(j>>8);

140. PWM4T1L=(u8)j;

141. 142. j+=PWM_DeadZone;143.144. PWM3T2H=(u8)(j>>8);

145. PWM3T2L=(u8)j;146. PWM4T2H=0;147. PWM4T2L=PWM_DeadZone;

150.j=T2_SinTable[PWM_Index];151.if(PWM_Index==199)152.j2=T2_SinTable[0];153.else154.j2=T2_SinTable[(PWM_Index+1)];155.j+=j2;156.PWM3T1H=0;

157PWM3T1L=0;158.PWM4T1H=(u8)(j>>8);

159.PWM4T1L=(u8)j;

160. 161.j+=PWM_DeadZone;162. 163.PWM3T2H=(u8)(j>>8);

164.PWM3T2L=(u8)j;165.PWM4T2H=0;166.PWM4T2L=PWM_DeadZone2.5 STC8微控制器的SPWM实现2.5 STC8微控制器的SPWM实现实验示波器仪器串口示波器图2-20串口示波器测试的j变量波形2.5 STC8微控制器的SPWM实现2.5.3STC8微控制器三相SPWM波形程序硬件：STC8A8K64S4微控制器，工作频率24MHz，产生带死区正弦波调制三相SPWM互补波形，信号频率50Hz，SPWM调制频率10kHz。软件：包括初始化程序，中断程序，主程序。在中断函数中用printf("%d,%d,%d\n",i,j,k)，打印(i，j，k)图2-22串口示波器显示i，j，k波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现2.6.1STM32F4产生sin和tan信号硬件环境：使用型号STM32F407的微控制器，系统时钟频率168MHz。程序流程：产生两个相位相差120º的sin信号，产生一个tan信号并通过串口回传上位机显示。36.for(m=0;m<=628;m++)37.{39.u=tan(((float)(m))/100);40.v=sin(((float)(m)+209.33)/100);41.w=sin(((float)(m)-209.33)/100);42. 43.u1=(int)(u*10000);44.v1=(int)(v*10000);45.w1=(int)(w*10000);46.printf("%d,%d,%d\n",u1,v1,w1);47.}图2-23串口示波器观测到的波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现2.6.2谐波注入法产生PWM信号硬件环境：使用型号STM32F407的微控制器，外部时钟25MHz，内部工作频率168MHz。程序包括初始化程序、中断程序、主程序。使用TIM6产生定时中断，中断周期为0.1ms，在中断服务程序中更改标志位sig_flag。调试：在主程序中判断出现中断后，计算正弦信号值和注入3次谐波值，相加获得输出信号sig1、sig2、sig3的值。将sig1、sig2、sig3的值用串口上传图2-243次谐波注入法输出波形2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现2.6.2谐波注入法产生PWM信号Vh=-(fmaxf(fmaxf(Va,Vb),Vc)+fminf(fminf(Va,Vb),Vc))/2;则注入信号与原三相信号叠加获得波形马鞍波提高直流电压的利用率，将调制波和注入的谐波的调制信号Vr=Va+Vh，改为：或图2-25注入信号与原三相信号叠加获得马鞍波2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现2.6.3STM32F407产生两路互补的SPWM使用STM32F407高级定时器生成互补SPWM波步骤①确定载波频率fc。周期Tc为载波频率倒数。②确定信号频率fr，基波周期Tb=1/fr。③计算载波比N，即一个信号基波周期内采集点数。④载波周期时长值设定为中断时间，在中断程序中，用PWM计数控制电平变化。死区时间可以直接在高级定时器的结构体寄存器中设置。⑤N个点输出PWM信号完毕后重复。硬件环境：使用型号STM32F407的微控制器，外部时钟25MHz，内部工作频率168MHz，TIM8高级定时器用于产生互补PWM信号。。PA7->TIM8_CH1N，PB0->TIM8_CH2N，PC6->TIM8_CH1，PC7->TIM8_CH2。两个通道是独立的，可以单独设置计数值CCR，死区时间为0。2.6 STM32F4微控制器的SPWM实现选10kHz的开关频率，信号频率50Hz，微控制器晶振频率168MHz。TIM8预分频168，计数