李珺 喬鳴忠

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

UPS電源又稱不間斷電源，它一般置于市電電網(wǎng)和用電負(fù)載之間，目的是改善對(duì)負(fù)載的供電質(zhì)量,并在市電故障時(shí)，保證對(duì)負(fù)載設(shè)備的正常供電。一般的UPS電源工作原理都是先經(jīng)過整流部分對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流，然后通過逆變單元進(jìn)行逆變。因此需要UPS電源在經(jīng)過逆變后提供高品質(zhì)的電源，這樣逆變部分的控制技術(shù)就顯得尤為重要。目前，UPS電源逆變部分大都采用SPWM調(diào)制技術(shù)，其特點(diǎn)是波形畸變率相較于一般PWM控制技術(shù)要低[1]。

SPWM 調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于數(shù)字信號(hào)處理芯片，然而數(shù)字信號(hào)處理芯片對(duì)于SPWM調(diào)制中的死區(qū)控制、窄脈沖處理等軟件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。本文采用了一種控制極其簡(jiǎn)單的單片機(jī)芯片來實(shí)現(xiàn)SPWM的調(diào)制技術(shù)，并且采用一種簡(jiǎn)便的硬件方法實(shí)現(xiàn)SPWM的死區(qū)控制。

2 逆變電路的基本工作原理

逆變電路部分采取 H橋型結(jié)構(gòu)，S11、S12組成一個(gè)橋臂，S21、S22組成另一個(gè)橋臂；

當(dāng) S11、S22為 1時(shí)，Uo=VDC，當(dāng) S12、S21為1時(shí)，Uo=-VDC。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 H橋型逆變電路原理圖

3 SPWM波形及死區(qū)的產(chǎn)生

3.1 SPWM波形產(chǎn)生原理

三角波載波調(diào)制方式原理[2]。

對(duì)于H橋型逆變器，有上下兩個(gè)載波，本文采用載波為三角波的SPWM方式。

三角波調(diào)制是采用三角載波層疊方式[3]。這種方式是由兩電平PWM方式直接擴(kuò)展而來，由兩組頻率和幅值相同的三角載波上下層疊，且兩組載波對(duì)稱分布于同一個(gè)調(diào)制波的正負(fù)半波。以單橋臂為例，當(dāng)調(diào)制波的正半波幅值大于上層載波時(shí)，輸出電平為‘P’；輸出電壓為+UD/2；而當(dāng)調(diào)制波的負(fù)半波幅值小于下層載波時(shí)輸出電平為‘N’，輸出電壓為-UD/2；其它情況下輸出為‘O’，輸出電壓為 0。載波層疊法的原理如圖2所示，圖中采用的是自然采樣方式，Uref表示調(diào)制波，Uc表示調(diào)制波。

圖2 三角載波層疊 PWM 原理圖

在實(shí)際控制過程中，為了便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)載波周期Ts（開關(guān)周期）內(nèi)，采用對(duì)稱規(guī)則采樣方式。所謂規(guī)則采樣方式是以每個(gè)三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為采樣時(shí)刻。過三角波的對(duì)稱軸與正弦波的交點(diǎn)，作平行t軸的平行線，該平行線與三角波的兩腰的交點(diǎn)作為SPWM波的“開”和“關(guān)”的時(shí)刻，這兩個(gè)交點(diǎn)是對(duì)稱的，這里選擇上下橋臂調(diào)制波互差180°。圖3中是表示在同一采樣周期里對(duì)上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，Ta為S11導(dǎo)通時(shí)間，Tb為S22導(dǎo)通時(shí)間，Ts為采樣周期；圖4中Ta為S12導(dǎo)通時(shí)間，Tb為S21導(dǎo)通時(shí)間。

這種方法實(shí)際上是用以多個(gè)階梯波去逼近正弦波。由于在每個(gè)三角波周期中每個(gè)橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)只采樣一次，使得計(jì)算大大簡(jiǎn)化[4]。

3.2 死區(qū)的產(chǎn)生

由于使用硬件產(chǎn)生死區(qū)比較方便，同時(shí)還可以根據(jù)開關(guān)管的要求改變死區(qū)時(shí)間大小，因此在此處使用硬件電路產(chǎn)生死區(qū)。

產(chǎn)生死區(qū)原理：

產(chǎn)生死區(qū)電路原理就是利用RC延時(shí)電路和與門產(chǎn)生死區(qū)，具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖5。

工作原理圖如圖6所示，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過RC延時(shí)之后，電壓上升至與門默認(rèn)高電平UHI有一段時(shí)間tp=tb-ta=td-tc；tp即為死區(qū)時(shí)間，式( 1 )-式( 3 )列出了tp的計(jì)算方法，可以得出死區(qū)時(shí)間可以根據(jù)R、C的數(shù)值的變化而變化。

圖3 調(diào)制波正半周采樣原理圖

圖4 調(diào)制波負(fù)半周采樣原理圖

圖5 實(shí)現(xiàn)死區(qū)硬件原理圖

圖6 死區(qū)時(shí)間計(jì)算原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的總體思路是：利用單片機(jī)C0851F的I/O口作為SPWM波形輸出[5]，在采樣周期內(nèi)根據(jù)采樣值從I/O口輸出高低電平，總體設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

5 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方案能正確地產(chǎn)生SPWM波形，本文對(duì)設(shè)計(jì)方案用MATLAB進(jìn)行了仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真模型為H橋逆變器模型，直流母線電壓 300 V，調(diào)制比 m=0.5，調(diào)制波頻率為50 Hz，載波頻率為1 kHz，死區(qū)時(shí)間為6 μs。圖8為仿真模型輸出電壓波形及其基波電壓波形。圖9為輸出波形各次諧波的大小曲線圖。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，本文在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所選參數(shù)與仿真參數(shù)相同，圖10為輸出電壓波形電壓每格300 V，時(shí)間每格10 ms。

圖8 仿真輸出及基波電壓波形

圖9 仿真波形諧波曲線圖

圖10 實(shí)驗(yàn)輸出波形

我們將波形的數(shù)據(jù)格式代入到 MATLAB中并對(duì)其諧波進(jìn)行分析，圖11為輸出電壓及基波電壓波形，圖12為各次諧波大小曲線圖。

圖11 實(shí)驗(yàn)輸出及基波電壓波形

6 結(jié)論

圖12 實(shí)驗(yàn)波形諧波曲線圖

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)C8051F的SPWM波形發(fā)生器通過仿真及實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證得出，設(shè)計(jì)方案所輸出的 SPWM 波形可以良好的控制逆變器的輸出，輸出諧波幅值也比較小，并且方法簡(jiǎn)捷，易于實(shí)現(xiàn)。

[1] 曹寶國(guó).UPS電源應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 朱鵬，喬鳴忠，張曉鋒，鄭剛. 基于五相三電平 H橋逆變器的載波PWM控制[J]. 船電技術(shù)：2008，5：262-265.

[3] 王立喬, 王長(zhǎng)永, 黃玉水, 張仲超. 基于相移 SPWM技術(shù)的級(jí)聯(lián)型多電平變流器[J]. 高電壓技術(shù)，2007，28(7): 17-21.

[4] 謝寶昌，任永德. 電機(jī)的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5] 范小波, 李萍, 張代潤(rùn). 一種基于 C8051單片機(jī)的SPWM波形實(shí)現(xiàn)方案[J]. 電源世界，2006，(7): 1-2.