脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation,，PWM)技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàng)。因此PWM脈沖波形的對稱性對輸出特性有很大影響,。
PWM的實(shí)現(xiàn)方法一般有兩種：比較法和計(jì)算法,。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)功能的提高，計(jì)算法以其方便靈活的特點(diǎn)成為PWM實(shí)現(xiàn)方法的主流,。采用計(jì)算法實(shí)現(xiàn)PWM時(shí),，按照每個(gè)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(jì)算簡單，占用系統(tǒng)軟件資源較少,，因而應(yīng)用比較廣泛,；但是由規(guī)則采樣法計(jì)算出的PWM波形，在系統(tǒng)載波頻率較低時(shí),，輸出精度差,，并且在計(jì)算時(shí)需要通過查表確定計(jì)算結(jié)果，所以并不能保證其波形的對稱性,，諧波含量也會因?yàn)椴ㄐ蔚牟粚ΨQ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(shí),，電力電子器件的開關(guān)頻率變化范圍大，在低頻時(shí),，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(diǎn)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(bǔ)同步調(diào)制的缺點(diǎn),。但是異步調(diào)制無法在大部分頻率點(diǎn)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(xiàng)。分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn),，但在波比切換時(shí)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(guān)于T／4 周期的完全對稱,。
1 PWM算法原理
在用數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖時(shí)，三角載波實(shí)際上是不存在的,，完全由軟件及硬件定時(shí)器代替,，圖1為三角載波的產(chǎn)生原理(Ttimer為定時(shí)器的值),。 PWM脈沖的產(chǎn)生機(jī)理為：定時(shí)器重復(fù)按照PWM周期進(jìn)行計(jì)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(shí)器計(jì)數(shù)器的值相比較,，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)， PWM輸出就會跳變,；當(dāng)兩個(gè)值產(chǎn)生二次匹配或者一個(gè)定時(shí)器的周期結(jié)束時(shí),，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(gè)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(fù)完成計(jì)數(shù),、匹配輸出的過程，產(chǎn)生PWM信號,，如圖2所示,。
基于數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖的這種特點(diǎn)，利用本文提出的算法,，可以實(shí)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(shí)鐘頻率確定定時(shí)器周期，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法,，將形成載波的定時(shí)器周期等分,，均分后所得到的數(shù)作為脈寬增量單元，隨時(shí)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(shí)器形成，三角載波的頻率由時(shí)鐘頻率及定時(shí)器的周期值決定,。根據(jù)需要可以選取一個(gè)定時(shí)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(gè)調(diào)頻過程的載波比是變動的,，可先設(shè)定在一個(gè)固定的輸出波頻率f1下的載波比為n1，對所需的輸出頻率f(對應(yīng)的周期為T)進(jìn)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(shí)器的周期進(jìn)行等分為n1／(4x)份,，則每份的寬度叫可由式(2)確定：
f1/1=fx (1)
ω=4T1x/n1 (2)
式中：ω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ω為增量單元，隨時(shí)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(gè)裝載占空比為ω,，第二個(gè)裝載占空比為2ω，第三個(gè)裝載占空比為3ω,，第y個(gè)裝載占空比的值為yω,，占空比的值以此規(guī)律依次增加。式(3)為脈寬遞增時(shí)占空比值DC更新規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)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(xì)的計(jì)算和論述。
當(dāng)輸出脈沖達(dá)到最大寬度MAX(DC)時(shí),，a計(jì)數(shù)值也達(dá)到最大值MAX(a),，已完成T／4周期的脈沖輸出。此時(shí),，占空比從最大寬度依次減小,，減小的規(guī)律為yω，(y-1)ω,，直至ω0式(4)為脈寬遞減時(shí)占空比值DC'更新規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)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(guān)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(gè)過程中是固定值,，所以具備了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn),。同時(shí)，脈寬是完全由形成載波的時(shí)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(shí)大多數(shù)情況下載波與調(diào)制波相位不同步的缺點(diǎn),。此種算法綜合了同步和異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn),，避免了采用分段同步調(diào)制時(shí)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,，其作用效果基本相同。在保證波形對稱的基礎(chǔ)上,，討論該算法對沖量相等原則的實(shí)現(xiàn),。以正弦調(diào)制為例，當(dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí),，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。
根據(jù)占空比更新原理可以確定沖量面積,，如式(6)所示,。
當(dāng)調(diào)制深度M=1時(shí)，可得到系數(shù)K的值,，如式(7)所示：
根據(jù)以上公式,，可準(zhǔn)確計(jì)算輸出波形面積，K值的選取可決定輸出電壓的幅值,。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證提出的PWM算法的正確性和可行性,，利用TI公司的TMS320F2812進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)采用30 MHz外部晶振,，通用定時(shí)器時(shí)鐘的頻率由系統(tǒng)5倍頻后,，再6分頻得到，為25 MHz,。該實(shí)驗(yàn)采用的載波頻率為fz=1 kHz,，定時(shí)器周期值T1=12 500。輸出頻率f1=50 Hz時(shí),，載波比n1=20,。選擇在定時(shí)器達(dá)到周期值時(shí)裝載更新占空比的值，相當(dāng)于在三角載波的波峰時(shí)裝載,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5(UPWM為PWM脈沖幅值)：圖5(a)為單極性調(diào)制時(shí)采用該算法得到的輸出波形,，它是50 Hz正弦波調(diào)制時(shí)正半周期的輸出波形；圖5(b)是43 Hz正弦波調(diào)制時(shí)正半周期的輸出波形,；圖5(c)是50 Hz單極性調(diào)制時(shí),，正弦波PWM脈沖波形的能譜分析圖；圖5(d)是43 Hz單極性調(diào)制時(shí)正弦波PWM脈沖波形的能譜分析圖,。
3 結(jié) 語
該算法是基于異步調(diào)制的優(yōu)化PWM脈沖波形的一種算法,，它對于提高系統(tǒng)輸出質(zhì)量有著重要的意義。應(yīng)用此算法已成功地實(shí)現(xiàn)在1～400 Hz之內(nèi)調(diào)頻,，輸出對T／4周期完全對稱的波形,，有效地降低了諧波，運(yùn)行效果良好,。