一種數(shù)字存儲(chǔ)組合式PWM調(diào)制方案

1、歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站一種數(shù)字存儲(chǔ)組合式PWM調(diào)制方案歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    歡迎訪問(wèn)Freekaoyan論文站    摘要：提出一種基于數(shù)字存儲(chǔ)模式的PWM調(diào)制方案，討論其非對(duì)稱規(guī)則采樣原理，給出宜于在線運(yùn)算的簡(jiǎn)便算法。該方案采用了以EPROM為可編程定時(shí)器，并帶有鎖相同步功能的脈寬調(diào)制器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法。高開關(guān)頻率基本固定，調(diào)制比與相位、頻率可以獨(dú)立控制，特別適用于PWM可逆整流器。       關(guān)鍵詞：非對(duì)稱規(guī)則采樣；脈寬調(diào)制；可

2、逆整流器；EPROM；占空比 1  引言    脈寬調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)PWM可逆整流器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)中的PWM相比，PWM可逆整流器的PWM調(diào)制器有自己的一些特點(diǎn)：(1)調(diào)制信號(hào)頻率與電網(wǎng)工頻嚴(yán)格保持一致，所以頻率變化范圍不大，一般不超過(guò)工頻的2。(2)不僅要實(shí)時(shí)控制調(diào)制波的幅度，而且要控制其相對(duì)于電網(wǎng)電壓的相移，要求調(diào)制器按照閉環(huán)控制給出的調(diào)制波幅度與相位，實(shí)時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制。目前，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制器的方案種類繁多。以往的硬件方式電路復(fù)雜，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，定時(shí)器花費(fèi)較高1，2；軟件方式則由于受到微處理器在線運(yùn)算速度的限制，難以實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率的P

3、WM；專用IC方式就目前常見的芯片而言，有許多不盡人意的方面，比如HEF4752不宜于較高的開關(guān)頻率，SLE4520雖然開關(guān)頻率較高，但他采用的是單邊調(diào)制，波形對(duì)稱性差，使調(diào)制效果大為遜色；滯環(huán)控制是一種應(yīng)用較多的產(chǎn)生PWM調(diào)制開關(guān)信號(hào)的簡(jiǎn)便方法，但存在的主要缺點(diǎn)是開關(guān)頻率高低懸殊而且不定。本文討論了PWM的一種非對(duì)稱規(guī)則采樣原理，給出宜于在線運(yùn)算的簡(jiǎn)便算法。在此基礎(chǔ)上提出了一種鎖相同步型PWM調(diào)制器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法。該方法以EPROM作為可編程定時(shí)器，高開關(guān)頻率基本固定，調(diào)制比與相位、頻率可以分別獨(dú)立控制，集模擬電路實(shí)現(xiàn)的快速性與微機(jī)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性于一身，特別適用于PWM可逆整流器。2非對(duì)稱規(guī)

4、則采樣原理眾所周知，對(duì)稱規(guī)則采樣法通常只在載頻三角波的頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)調(diào)制波采樣而形成階梯波。此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的。非對(duì)稱規(guī)則采樣法，既在三角波的頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)調(diào)制波進(jìn)行采樣，由采樣值形成的階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的2倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱。在正弦波調(diào)制的情況下，非對(duì)稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)更貼近正弦，調(diào)制效果更接近自然采樣。此外，非對(duì)稱規(guī)則采樣的一個(gè)突出特點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算。圖1示出非對(duì)稱規(guī)則采樣PWM原理。以載頻三角波與調(diào)制正弦波比較，在每一個(gè)載波半周期

5、的起始點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于三角波頂點(diǎn)或底點(diǎn))，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣，此采樣值的大小與相應(yīng)的調(diào)制脈沖占空比的定量關(guān)系可通過(guò)圖2所示的一個(gè)載波周期予以說(shuō)明：在該周期TC的起點(diǎn)tn1時(shí)刻對(duì)應(yīng)調(diào)制波的采樣值VR，在前半周期tn1，tn內(nèi)得以保持，同時(shí)以此值與三角波比較，其交點(diǎn)Q的位置決定了該半周期內(nèi)調(diào)制脈沖由負(fù)到正的跳變時(shí)刻，即決定了負(fù)脈沖定時(shí)寬度t。    在圖2中應(yīng)用相似三角形對(duì)應(yīng)邊的比例關(guān)系得：   將一個(gè)載波周期TC中的前后半周對(duì)應(yīng)的2個(gè)脈沖“背靠背”拼接在一起便構(gòu)成一個(gè)非對(duì)稱規(guī)則采樣調(diào)制脈沖。分析式(1)和式(2)可知，當(dāng)VR0時(shí)，ttTC/4，即占空比

6、d50；當(dāng)0VR1時(shí)，有TC/4tTC/2和0tTC/4(d50)；當(dāng)1VR0時(shí)，依此類推。換言之，對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的正負(fù)交變，占空比d在50上下波動(dòng)。這正是兩點(diǎn)式PWM的基本特征。若根據(jù)式(1)和式(2)，以軟件配合定時(shí)器方式完成PWM調(diào)制，只需進(jìn)行一次加減和一次乘法，特別適合于實(shí)時(shí)在線運(yùn)算。從圖1所示的一個(gè)完整的正弦波調(diào)制周期可見，非對(duì)稱規(guī)則采樣PWM具有1/4波對(duì)稱性，故不含偶次諧波。不過(guò)基波分量比原調(diào)制波滯后恰好半個(gè)采樣周期，這需要在實(shí)際控制當(dāng)中加以補(bǔ)償。3硬件實(shí)現(xiàn)如上所述非對(duì)稱規(guī)則采樣PWM，宜于采用單片機(jī)內(nèi)部可編程定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，其定時(shí)寬度可通過(guò)式(1)和式(2)在線計(jì)算而得。然而采用E

7、PROM作可編程定時(shí)器的硬件方式，不需要定時(shí)寬度的在線運(yùn)算，一方面為微處理器騰出更多的時(shí)間來(lái)完成更高級(jí)的系統(tǒng)處理，另一方面也可以提高調(diào)制器的開關(guān)頻率和響應(yīng)速度，并且運(yùn)行可靠性增加。硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。由單片機(jī)根據(jù)PWM可逆整流器系統(tǒng)閉環(huán)控制算法結(jié)果，為調(diào)制器輸出3種調(diào)制信息，即正弦波頻率、相位和幅度，其中前兩者以工頻矩形波vi輸出，作為數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)的參考輸入信號(hào)；幅度信息通過(guò)并行口輸出給EPROM2的高7位地址線A15A9。    PLL與計(jì)數(shù)器CNT1，CNT2構(gòu)成倍頻器，同時(shí)保證了PWM調(diào)制的頻率與相位鎖定于vi(上升沿有效)。EPROM1存儲(chǔ)的是

8、128種占空比脈沖定時(shí)模式，占空比依次從128/256到255/256，由地址線A14A8予以選擇，客觀上起著可編程定時(shí)的作用。每一種占空比定時(shí)模式占用256 B，在計(jì)數(shù)器CNT1周而復(fù)始的掃描檢索下，數(shù)據(jù)線上輸出相應(yīng)占空比的脈沖序列。EPROM1的每種占空比定41時(shí)模式的D3D0位存儲(chǔ)脈沖格式如圖4所示，D3位存儲(chǔ)的是占空比d50“先0后1”形脈沖(稱作A型)，D1位是占空比d50的“先1后0”形(稱作B型)，D2，D0依次分別與D1，D3互補(bǔ)，或者說(shuō)是d50的A，B型脈沖。實(shí)際上圖1中所示PWM波的每一載波半周期對(duì)應(yīng)的脈沖形式，不外乎這4種，只需通過(guò)多路選擇器(74HC153)對(duì)D3D0之

9、一進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠行蜻x擇即可。D7D4留做備用，比如可安排存儲(chǔ)其他的采樣模式。PWMA，B，C三者的EPROM1存儲(chǔ)內(nèi)容完全相同。EPROM2中可以存儲(chǔ)128種幅度調(diào)制比m各異的數(shù)字化正弦模式，通過(guò)地址線A15A9來(lái)選擇。m的分辨率為1/128，每一種單周期正弦模式占用512 B。隨著CNT2計(jì)數(shù)過(guò)程的周而復(fù)始，對(duì)EPROM2進(jìn)行周期性掃描檢索，數(shù)據(jù)線D6D0上依次輸出正弦波各瞬時(shí)幅度對(duì)應(yīng)的占空比量化值(相當(dāng)于EPROM1的定時(shí)常數(shù))。EPROM2中所存儲(chǔ)的正弦模式，都是按照非對(duì)稱規(guī)則采樣方式，根據(jù)式(1)和式(2)離線計(jì)算的占空比(定時(shí)常數(shù))的有序排列。正弦波的正負(fù)半周對(duì)應(yīng)于相同的占空比序列，只

10、是通過(guò)極性標(biāo)識(shí)位D7加以區(qū)分，比如正半周對(duì)應(yīng)于D70，負(fù)半周D71。此D7位與CNT2的最低位Q8組合，用來(lái)作為“4選1”開關(guān)的選通控制信號(hào)，其選通真值表如表1所示。實(shí)際上Q80和1依次對(duì)應(yīng)于圖1中每個(gè)載波周期的前、后半周，比如圖1中t1，t5的時(shí)段內(nèi)的4個(gè)半周期，多路選擇器依次選通D3-D1-D2-D0，剛好可以在輸出端Y拼合出t1，t5所示PWM波形。不難看到，通過(guò)多路選擇器的加入與極性信號(hào)D7及Q8的作用，使占空比定時(shí)模式的存儲(chǔ)量壓縮一半。EPROM2A，B，C三者所存儲(chǔ)的正弦模式相同，只是彼此互差120°相移。單穩(wěn)的微小延時(shí)與鎖存器L2配合作用，以克服由于器件延時(shí)造成的多路數(shù)

11、據(jù)到達(dá)輸出的不同步。鎖存器L1保證了非對(duì)稱規(guī)則采樣所確定的“定時(shí)常數(shù)”恰好在每個(gè)半載波周期的起始時(shí)刻一致到位于EPROM1可編程定時(shí)器。4結(jié)語(yǔ)本文所提出的PWM非對(duì)稱規(guī)則采樣方法，一方面由于計(jì)算簡(jiǎn)便，很適合于微處理器的在線運(yùn)算，主要以軟件方式實(shí)現(xiàn)；另一方面，運(yùn)用EPROM作可編程定時(shí)器的數(shù)字化硬件方式，幾乎不占用CPU的時(shí)間，具有響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，加之采用了鎖相同步環(huán)節(jié)，宜于PWM可逆整流器實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率PWM調(diào)制。對(duì)圖3所示的PWM可逆整流器的脈寬調(diào)制器稍加修改，比如保持CNT1對(duì)EPROM1的掃描頻率(決定著PWM開關(guān)頻率)恒定，而將CNT2對(duì)EPROM2的掃描頻率(決定著PWM調(diào)制頻率)改為獨(dú)立可控，不難實(shí)現(xiàn)適用于交流變頻調(diào)速的PWM調(diào)制器。參考文獻(xiàn)1Khan M ZUManning CDMicroprocessor controlled inverter for UPSapplication