王家豪

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM)輸出諧波小，精度高，在逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛可以采用3種SPWM控制方案，即單極性SPWM控制，雙極性SPWM控制以及倍頻單極性SPWM控制。所謂倍頻單極性SPWM控制是指逆變器輸出脈沖的調(diào)制頻率是載波頻率的兩倍，并且輸出脈沖具有單極性特征，對以載波頻率為Wс為基準(zhǔn)并采用雙重傅里葉級數(shù)進(jìn)行諧波分析，可以得出：基波幅值與調(diào)制度M成正比，故通過調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的幅值就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，其諧波含量大，主要分布在載波角頻率Wс以及2Wс、3Wс附近，并以載波角頻率Wс附近諧波幅值為最大。但根據(jù)分析結(jié)果，載波采用單極性三角波的單極性SPWM波形的諧波含量比雙極性SPWM諧波含量小得多。因此實(shí)現(xiàn)倍頻單極性SPWM能進(jìn)一步減少諧波，改善輸出波形的品質(zhì)意義重大。本文從單極性和雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)的原理出發(fā)，從圖像入手推導(dǎo)出一種基于模擬元件的倍頻單極性SPWM的控制策略，并給出每一步設(shè)計(jì)的理由。

1 分析單極性、雙極性SPWM實(shí)現(xiàn)方法

圖1

若采用單極性SPWM，通常采用圖1方式控制實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)單極性SPWM控制，根據(jù)單相電壓型正弦波逆變器電路橋臂控制功能的不同，可以將其分為周期控制橋臂以及調(diào)制橋臂，其中上面比較器用于驅(qū)動(dòng)調(diào)制橋臂，下面比較器用于驅(qū)動(dòng)控制橋臂。在正弦調(diào)制波正半周，由于三角載波極性為正，則下面比較器輸出極性為正，此時(shí)，VT4導(dǎo)通而VT4關(guān)斷，即有VT4導(dǎo)通或VD4續(xù)流導(dǎo)通，這取決于電流iα的方向。同時(shí)。比較器A根據(jù)調(diào)制波與載波的調(diào)制而輸出SPWM信號(hào)，當(dāng)VT1導(dǎo)通有效而VT2關(guān)斷有效時(shí)，VT1導(dǎo)通或VD1續(xù)流導(dǎo)通，當(dāng)VT2關(guān)斷，反之，當(dāng)VT2導(dǎo)通有效而VT1關(guān)斷有效時(shí)，VT2導(dǎo)通或VD2續(xù)流導(dǎo)通，而VT1關(guān)斷。顯然正弦調(diào)制波正半周時(shí)，逆變器輸出正極性的SPWM電壓脈沖。同理，當(dāng)正弦調(diào)制波負(fù)半周時(shí)，由于三角載波極性為負(fù)，則 比較器B輸出極性為負(fù)，逆變器輸出負(fù)極性的SPWM電壓脈沖，最終如圖2所示。

圖2

若采用雙極性SPWM,此時(shí)逆變器的輸出脈沖具有雙極性特征。即，無論輸出正、負(fù)半周，輸出脈沖全為正、負(fù)極性跳變的雙極性脈沖。當(dāng)采用基于三角載波調(diào)制的雙極性SPWM控制時(shí)，只需采用正、負(fù)對稱的雙極性三角載波；當(dāng)正弦調(diào)制波信號(hào)的瞬時(shí)值大于三角載波信號(hào)瞬時(shí)值時(shí)比較器輸出極性為正。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過前述分析，發(fā)現(xiàn)這樣的模擬電路實(shí)現(xiàn)控制具有成本低、操作容易、可靠性高，便于維護(hù)等特點(diǎn)，因此，試圖將這種思想應(yīng)用于倍頻單極性SPWM控制。倍頻單極性SPWM控制有調(diào)制波反相和載波反相2種控制方式。

2.1 調(diào)制波反相的倍頻單極性SPWM控制方式

相關(guān)理論波形如圖3所示。

圖3

調(diào)制波Ur1與載波Uc進(jìn)行調(diào)制之后產(chǎn)生波形為Uao，Ur2為與調(diào)制波Un幅值相等而相位相差180度的調(diào)制波，它也與載波Uc進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生波形為Uab。對于上述波形進(jìn)行分析我們不難發(fā)現(xiàn)，Uao、Ubo為雙極性波形，有正值和負(fù)值兩種情況。

用甲表示Uao，用乙表示Ubo。則：

①甲乙同正或同負(fù)時(shí)，Uao為0；

②甲正乙負(fù)時(shí)，Uao為U；

③甲負(fù)乙正時(shí)，Uao為-U。

而當(dāng)Uab為U時(shí)，應(yīng)為VT1和VT4導(dǎo)通；

而當(dāng)Uab為-U時(shí)，應(yīng)為VT2和VT3導(dǎo)通；

而當(dāng)Uab為0時(shí)，可為VT1、VT3或VT2、VT4導(dǎo)通。

而甲正：說明 Uao＞0，即 Ur1＞Uc；

甲負(fù)：說明 Uao＜0，即 Ur1＜Uc；

乙正：說明 Ubo＞0，即 Ur2＞Uc；

乙負(fù)：說明 Ubo＜0，即 Ur2＜Uc。

故可設(shè)計(jì)觸發(fā)電路如圖4所示。

當(dāng) Ur1＞Uc 且 Ur2＜Uc 時(shí)，VT1、VT4導(dǎo)通；

當(dāng) Ur1＜Uc且 Ur2＞Uc時(shí)，VT2、VT3導(dǎo)通；

其余情況VT2、VT4或VT1、VT3導(dǎo)通，輸出波形即為圖5所示。

2.2 載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式

通過波形理論分析設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

令：Ur＞Uc1時(shí)VT1導(dǎo)通有效；

圖4

圖5

Ur＜Uc1時(shí)VT2導(dǎo)通有效；

Ur＞Uc2時(shí)VT4導(dǎo)通有效；

Ur＜Uc2 時(shí) VT2導(dǎo)通。

3 結(jié)語

本文圍繞單極性倍頻SPWM調(diào)制技術(shù)展開研究，論文的主要內(nèi)容概述如下。

（1）介紹了三種經(jīng)典的SPWM控制方法，包括雙極型SPWM脈沖寬度調(diào)制方法，單極型SPWM脈沖寬度調(diào)制方法，以及倍頻單極型SPWM脈沖寬度調(diào)制方法。通過比較和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)倍頻極型SPWM脈沖寬度調(diào)制方法相對于其他兩種調(diào)制方法，其諧波含量更低，只需要更小更簡潔的濾波器件就能達(dá)到更好的濾波效果。

（2）給出了模擬電路的硬件實(shí)現(xiàn)方式和具體的電路圖以及推導(dǎo)過程，闡述清楚了其內(nèi)在機(jī)理，根據(jù)已知的電路結(jié)構(gòu)完成了倍頻單極性SPWM脈寬調(diào)制電路的設(shè)計(jì)。

（3）該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過焊接、調(diào)試、模擬與實(shí)際測試，結(jié)果表明，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和功能體現(xiàn)，

實(shí)現(xiàn)了模擬元件控制倍頻單極性SPWM波形的輸出，簡便易行，使輸出電壓頻率為載波頻率2倍。方便可靠，不論在電子設(shè)計(jì)制作上還是工程應(yīng)用中都具有很大的應(yīng)用價(jià)值。