專(zhuān)利名稱：脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)脈寬調(diào)制(PWM)變頻調(diào)速系統(tǒng)的PWM信號(hào)發(fā)生器。
目前廣泛采用的是一種正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)即用等腰三角形的載波和參考正弦波相比較，其交點(diǎn)確定換流點(diǎn)的方法。這種方法，載波和參考正弦波必須同步，且保持為參考波頻率的偶數(shù)倍，以改善輸出波形的諧波含量，此法比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，近幾年國(guó)內(nèi)外采取許多新方法，如采用具有飽和幅值三角載波的PWM逆變器，它不需要對(duì)載波與參考波進(jìn)行同步，使控制系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，但獲得PWM模型，仍然采用了SPWM法或梯形波與三角載波相比較的復(fù)雜方法。在八十年代前后，英國(guó)麥納德(MULLARD)公司，按SPWM原理研制了大規(guī)模集成電路構(gòu)成的全數(shù)字化PWM信號(hào)發(fā)生器，使用了大約1500個(gè)門(mén)電路，型號(hào)為HEF4752V。之后日本日立公司也研制了專(zhuān)門(mén)和微處理機(jī)相配合，用于產(chǎn)生PWM信號(hào)和實(shí)現(xiàn)其它轉(zhuǎn)換、保護(hù)、調(diào)節(jié)功能的大規(guī)模集成電路(LSI)，在一片6.0mm×6.1mm的大規(guī)模集成塊上，有大約9000個(gè)金屬氧化半導(dǎo)體晶體管。
本發(fā)明的目的在于提供一個(gè)按照連續(xù)移相原理研制成功的新型PWM信號(hào)發(fā)生器。比用正弦波脈寬調(diào)制法原理研制的PWM信號(hào)發(fā)生器簡(jiǎn)單得多。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方法來(lái)達(dá)到的。就是按已申請(qǐng)專(zhuān)利“交流電機(jī)兩重式交交變頻調(diào)速裝置”(申請(qǐng)?zhí)?6106905)的移相原理，獲得對(duì)交直交PWM逆變器新的調(diào)制方法，并保持輸出波形接近正弦。
實(shí)踐已經(jīng)證明若電源輸入頻率為fiHz，移相頻率(或控制頻率)為fkHz，則輸出頻率fo以Hz計(jì)為fo＝fi-fk，即輸出頻率fo為電源頻率fi和移相頻率fk的代數(shù)和。連續(xù)移相控制，實(shí)際上就是兩種不同頻率fi和fk的方波的邏輯組合。應(yīng)用這個(gè)原理和方法可以很方便地設(shè)計(jì)出一種由三相方波發(fā)生器。三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器和邏輯門(mén)電路組成的新型PWM信號(hào)發(fā)生器。由于PWM逆變器的電源電壓是直流，因此在控制電路中可以任意選擇輸入頻率fi的頻率數(shù)值。三相方波即三個(gè)互差120°電角的方波，它的頻率是平滑可調(diào)的，這比正弦波發(fā)生器要簡(jiǎn)單得多，且不需要調(diào)節(jié)它的幅值。三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器是一個(gè)典型的電路，它和三相方波發(fā)生器由共同的直流電壓ug來(lái)控制。由電源輸入頻率fi和控制頻率fk兩種不同頻率的方波組成的邏輯門(mén)電路，經(jīng)典型的大功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路，即可實(shí)現(xiàn)PWM變頻。當(dāng)單項(xiàng)輸出時(shí)可采用一對(duì)晶體管的主回路，當(dāng)三相輸出時(shí)可采用通用的橋式逆變器電路。
本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)1、調(diào)制電路比目前已知的各種方法都簡(jiǎn)單得多，若采用大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)這種PWM信號(hào)發(fā)生器，只需大約100個(gè)門(mén)電路或500個(gè)晶體管即可實(shí)現(xiàn)，因而生產(chǎn)成本僅占國(guó)外的20～30%;2、同一種比SPWM法諧波幅值更低的梯形波調(diào)制法比較，本發(fā)明的各次諧波含量都較低。且連續(xù)移相法所取Np＝48，而梯形波調(diào)制法所取Np＝8.3(見(jiàn)美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)期刊雜誌工業(yè)應(yīng)用卷，21期第5號(hào)，1985年1193頁(yè)，原文IEEE、Trans.voIIA-21 NO.5 sepf/ocf.1985)因Np越大，諧波必然越小，所以連續(xù)移相法具有明顯的優(yōu)越性。3、只要給定任一輸出頻率fo和輸出電壓波每半周的脈沖數(shù)Np，則控制頻率fk和輸出頻率fi均可由簡(jiǎn)單公式算出;而且輸出頻率fo與控制頻率fk，輸入頻率fi都是線性關(guān)系，從而使控制電路更簡(jiǎn)化。
以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)發(fā)生器的框中1是三相方波發(fā)生器;2是三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器;3是邏輯門(mén)電路;4是功率晶體管基極驅(qū)動(dòng)電路;5是主回路;ug是直流控制電壓;H1、H2、H3是環(huán)形計(jì)數(shù)器輸出的三個(gè)方波;A+、B+、C+和A-、B-、C-為三相方波;y+、y-是邏輯門(mén)電路輸出方波;T1、T2是晶體管。
圖2、是脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)發(fā)生器的波形。
圖中符號(hào)fo-輸出頻率;Np-輸出電壓每半周的脈沖數(shù);fk-移相頻率或稱控制頻率;Wk-控制方波寬;fi-輸出頻率;Wi-輸出方波寬。
圖3、是脈沖數(shù)Np為15時(shí)有關(guān)部分波形圖中符號(hào)u、v、w-輸出電壓相;圖中其它符號(hào)同前。
圖4、是獲得單極性的脈沖例圖5、為6相6脈沖PWM控制6、為各種輸出頻率時(shí)，保持Np不變，fo、fk、fi的線性關(guān)系圖7、為輸出電壓每半周的脈沖數(shù)Np參照?qǐng)D1、一個(gè)頻率為fi可平滑調(diào)節(jié)的三相方波發(fā)生器1，產(chǎn)生三個(gè)互差120°電角的方波，且不需調(diào)它的幅值。一個(gè)三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器2，是個(gè)典型電路。1和2由共同的直流電壓ug來(lái)控制。一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)電路3，是PWM波的脈沖形成環(huán)節(jié)，其中環(huán)形計(jì)數(shù)器輸出的三個(gè)方波H1、H2、H8(它們的寬度都等于Wk)分別同三相方波A+、B+、C+和A-、B-、C-相與(三相方波的寬度都等于Wi)，這個(gè)電路實(shí)際上是一個(gè)與或門(mén)，只要其中任意一個(gè)與門(mén)的兩個(gè)輸入端為1，即可在輸出端y+或y-獲得高電位的輸出。大功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路4、是通用的典型電路。主回路5，它是單相輸出的一對(duì)晶體管。若三相輸出時(shí)，主回路5可采用通用的橋式逆變器電路。
參照?qǐng)D2，假定輸出頻率fo＝50Hz，輸出電壓每半周的脈沖數(shù)Np＝6，則根據(jù)移相原理導(dǎo)出的公式fk＝ 2/3 fo×Np可得控制頻率fk＝200Hz，控制方波寬Wk＝30°，輸入頻率fi＝150Hz，輸出方波寬Wi＝60°，按此結(jié)果可以獲得各有關(guān)部分的波形。第1欄的輸入頻率fi為150Hz，相對(duì)應(yīng)的方波寬Wi為60°，其中A+、B+、C+為正半波、A-、B-、C-為負(fù)波，A、B、C之間均相差40°電角(如按150Hz每半周寬為180°，則A、B、C相差120°)采用A、B、C來(lái)表示三相輸入方波的原因是仍然與三相交流電壓的習(xí)慣用法一致。圖中第2欄為控制頻率fk＝200Hz，相對(duì)應(yīng)的控制方波寬Wk＝30°，分別以H1、H2、H8表示，它實(shí)際上是一個(gè)三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出方波。圖中第3欄為H1、H2、H3，分別同A+、B+、C+經(jīng)與門(mén)后的輸出方波，即H1同A+相與，H2同B+相與，H8同C+相與，然后經(jīng)或門(mén)輸出，其輸出方波示于圖中的第3欄。這個(gè)輸出方波實(shí)際上就是圖1中3的輸出端y+。同樣，H1同A-相與，H2同B-相與，H3同C-相與，然后經(jīng)或門(mén)輸出的方波，即為圖1中3的輸出端y-，也就是圖中第4欄所示的輸出波形。這兩個(gè)輸出方波y+和y-經(jīng)隔離功放后，即分別驅(qū)動(dòng)兩只大功率晶體管的基極，于是在圖1中主回路5的負(fù)載L兩端便出現(xiàn)PWM的電壓波形，如圖中第5欄所示。從這個(gè)輸出電壓波可以看出，輸出電壓從中性點(diǎn)至波峰正好是90°(π/2)。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單例子，用以說(shuō)明其工作原理。
參照?qǐng)D3，為獲得實(shí)用的輸出波形，輸出電壓每半周的脈沖數(shù)Np應(yīng)盡可能大一些。設(shè)所需fo＝16.7Hz，Np＝15，則fk＝166.7Hz，Wk＝36°，fi＝150Hz，Wi＝60°。將上述數(shù)值繪出波形，圖中第1欄分別繪出三相方波A、B、C，其寬度均為Wi＝60°。圖中第2欄為三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出方波H1、H2、H3，其寬度Wk均為36°。圖中第3欄為u相輸出電壓波形。圖中第4.5兩欄分別為V和W兩相的輸出電壓波形。這后兩相電壓是按第3欄u相同原理獲得的，僅僅只需將環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出方波H1、H2、H3，由原來(lái)分別相與的A、B、C，改為B、C、A(獲得V相輸出電壓)，或改為C、A、B(獲得W相輸出電壓)。由圖解分析可知，輸出三相電壓波相互之間正好差120°電角。由于是以50Hz的電角計(jì)，故當(dāng)fo＝16.7Hz時(shí)，在圖3中量出的電角度正好大了3倍(360°)。實(shí)際上Np還應(yīng)再大一些，但圖解分析在繪制上比較煩瑣，又因?yàn)榘匆葡嘣硪涯軠?zhǔn)確地推導(dǎo)出在各種不同輸出頻率fo和輸出電壓每半周脈沖數(shù)Np以及與之相對(duì)應(yīng)的fk、Wk、fi、Wi的數(shù)值，在此不贅述。
當(dāng)m＝3，Np＝15，fo＝16.7Hz時(shí)，其輸出電壓各次諧波含量列于表1。
表1
參照?qǐng)D4，本圖是獲得單極性的脈沖例，這僅需要將前面列舉的三相脈沖控制方式中的輸入方波Wi，經(jīng)過(guò)適當(dāng)延時(shí)即可。例如，設(shè)fo＝50Hz，Np＝9，則fk＝300Hz，Wk＝20°，fi＝250Hz，Wi＝36°?，F(xiàn)在將Wi＝36°經(jīng)過(guò)延時(shí)，去掉方波前沿12°，即假定延去部分為Wy，則Wy＝12°，圖解分析見(jiàn)本圖。從圖中可以明顯地看出，Wi經(jīng)延時(shí)后，輸出的波形就成為單極性了。且u、v、w三相輸出電壓正好相差120°電角。
參照?qǐng)D5，本圖說(shuō)明6相6脈沖也可以實(shí)PWM控制。當(dāng)m＝6時(shí)，設(shè)fo＝25Hz，Np＝48，則fk＝400Hz，Wk＝7.5°，fi＝375Hz，Wi＝24°。按上述數(shù)值繪出PWM信號(hào)發(fā)生器各有關(guān)部分的波形示于圖5。圖中第1欄為輸入方波，其頻率fi＝375Hz，方波寬Wi＝24°，分別以A+、A-、B+、B-、C+、C-表示，這些方波的電角關(guān)系相當(dāng)于一個(gè)六相方波電壓，其相序?yàn)锳+、C-、B+、A-、C+，所有方波寬Wi都是24°(以50Hz的電角度計(jì))。故當(dāng)方波A+從0°開(kāi)始時(shí)，C-就從8°開(kāi)始，B+從16°開(kāi)始，以此類(lèi)推，即按相序每隔8°一個(gè)方波。由于每個(gè)方波有適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，所以在圖中已表示出三種不同的延時(shí)，若延時(shí)部分的寬度為Wy，則圖中列舉了三種不同的延時(shí)，即wy＝5°，Wy＝8°，Wy＝10°。圖中第二欄為六分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出方波，分別以H1、H2、H3、H4、H5、H6表示。這些方波的重復(fù)頻率fk＝400Hz，寬Wk＝7.5°，其中H1總是只同A+或A-相與，同A+相與時(shí)，輸出的方波經(jīng)隔離功放后，即作為驅(qū)動(dòng)正端晶體管T1基極的脈沖，反之，H1同A-相與時(shí)，輸出的方波經(jīng)隔離功放后，即作為驅(qū)動(dòng)負(fù)端晶體管T4基極的脈沖。同樣，H2同C-相與時(shí)，輸出的方波經(jīng)隔離功放后，即作為驅(qū)動(dòng)正端晶體管T1基極的脈沖，H2同C+相與，輸出的方波經(jīng)隔離功放后，即作為驅(qū)動(dòng)負(fù)端晶體管T4基極的脈沖，如此類(lèi)推。圖中第三欄為PWM信號(hào)發(fā)生器輸出方波，經(jīng)隔離功放后，分別驅(qū)動(dòng)晶體管T1和T4時(shí)的主電路輸出電壓波形。輸出頻率fo＝25Hz，Np＝48，其中Wy＝5°。表示第1欄所有的方波均延時(shí)5°。圖中第4和第5欄，分別為延時(shí)Wy＝8°和Wy＝10°的輸出電壓波形。從這些波形可以看出，不同的延時(shí)可以起到調(diào)壓的作用，即延時(shí)越大，輸出電壓越低，且不同延時(shí)后的電壓波形，每1/4周波都是對(duì)稱的。
當(dāng)m＝6，Np＝48，fo＝25Hz時(shí)其輸出電壓各次諧波含量列于表2。表中的比值 (WQ)/(Wi) 即為調(diào)制系數(shù)，其中WQ＝Wi-Wy。從表中可知，當(dāng)調(diào)制系數(shù)越接近1時(shí)，各次諧波含量就越小，但即使在調(diào)壓時(shí)需要減少這個(gè)系數(shù)，各次諧波含量只稍增加。
參照?qǐng)D6，說(shuō)明在輸出各種頻率時(shí)，保持Np不變，則fo與fk、fi為線性關(guān)系。此時(shí)無(wú)論輸出頻率為任意數(shù)值，Np均為整數(shù)不變，這就使得輸出電壓的諧波含量降低。圖中左邊兩根直線表示m＝6，Np＝48時(shí)，fo和fk、fi的關(guān)系。圖中右邊兩根直線表示，m＝3，Np＝48時(shí)，fo和fk、fi的關(guān)系。
參照?qǐng)D7，說(shuō)明輸出電壓每半周的脈沖數(shù)Np，在實(shí)際上應(yīng)當(dāng)隨輸出頻率而變化。在圖中列出了輸出頻率fo從1Hz至50Hz變化時(shí)，Np從1200至24變化的關(guān)系曲線，圖中m＝3，虛線表示fi的線性變化，相對(duì)應(yīng)的fk由實(shí)線表示。
權(quán)利要求
1.一個(gè)由三相方波發(fā)生器1三分環(huán)形計(jì)數(shù)器2和邏輯門(mén)電路3組成的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)發(fā)生器，其特征是由輸入頻率fi和控制頻率fk兩種不同頻率的方波組成的邏輯門(mén)電路3。
2.按權(quán)利要求1所述脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其特征是由于逆變器的電源是直流，故在控制電路中可任意選擇輸入頻頻fi的數(shù)值。
3.按權(quán)利要求1、2所述脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其特征是由輸入頻率fi所確定的三相方波發(fā)生器1為三組互差120°電角的方波，每組方波的正半波和負(fù)半波是分開(kāi)的，且其前沿是可調(diào)的。
4.按權(quán)利要求1、2所述脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其特征是三分頻環(huán)形計(jì)數(shù)器2的輸出方波頻率fk與三相方波1的頻率fi兩種方波不同頻率的變化是線性的。
全文摘要
脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)發(fā)生器，由三相方波發(fā)生器1、三分環(huán)形計(jì)數(shù)器2和邏輯門(mén)電路3組成，其特征是由輸入頻率fi和控制頻率fk兩種不同頻率的方波組成邏輯門(mén)電路；屬于交流電機(jī)傳動(dòng)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)。本發(fā)明按移相原理研制而成，只約需100門(mén)電路或500個(gè)晶體管，成本只占國(guó)外成本的20～30％。輸出頻率可從0～300Hz。由本發(fā)明為主要部分組成的PWM變頻器，輸出功率可以從0.1KW(單相)至兆瓦級(jí)(三相)。
文檔編號(hào)H02M7/539GK1041853SQ88107180
公開(kāi)日1990年5月2日 申請(qǐng)日期1988年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月12日
發(fā)明者王興亞 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院