一種全橋spwm發(fā)生器電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種全橋SPWM發(fā)生器電路，所述全橋SPWM發(fā)生器電路安裝在信號發(fā)生器中，所述SPWM發(fā)生器電路包括：三角波發(fā)生器，正弦波發(fā)生器，模擬反向器，比較器，反向器，驅(qū)動器，四個場效應(yīng)管，線圈，電阻RL，電容C；所述三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器發(fā)出的信號進(jìn)入比較器，比較器的輸出信號一半直接進(jìn)入兩個場效應(yīng)管，一半通過驅(qū)動器后進(jìn)入兩外兩個場效應(yīng)管。本實(shí)用新型能促進(jìn)SPWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)，包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電、逆變電源等應(yīng)用領(lǐng)域，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。
【專利說明】—種全橋SPWM發(fā)生器電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電路，尤其涉及一種在結(jié)合DDS，F(xiàn)PGA, MCU等芯片的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用硬件調(diào)制法把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的SPWM波形的一種全橋SPWM發(fā)生器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]PWM (Pulse Width Modulation)脈沖寬度調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。
[0003]SPWMCSinusoidal Pulse Width Modulation)正弦規(guī)率脈沖寬度調(diào)制，就是在 PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式。SPWM的脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。
[0004]隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括:相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下幾類方法:相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、矢量控制PWM等。
[0005]SPWM法是相電壓控制PWM中的一種控制方法。SPWM法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中有一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。
[0006]雖然SPWM技術(shù)已在諸多領(lǐng)域中得到肯定和應(yīng)用，但較經(jīng)典的正弦波等信號尚未有可任意設(shè)置覆蓋實(shí)際應(yīng)用需要的SPWM信號發(fā)生器。
[0007]SPWM控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè)，包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電、逆變電源等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動的能量，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。
[0008]SPWM具有輸出波形中低次諧波含量低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，已為交流傳動、UPS系統(tǒng)、變頻調(diào)壓電源和不間斷電源中得到了廣泛的應(yīng)用，在允許的范圍內(nèi)提高載波頻率是充分發(fā)揮脈寬調(diào)制優(yōu)越性的努力方向，而提高PWM數(shù)字信號的控制精度亦是改善輸出波形質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。目前各行各業(yè)對電氣設(shè)備的控制性能日益提高，對SPWM信號的控制精度要求也越來越高。但是當(dāng)前市場上并沒有專用的SPWM信號發(fā)生器，所以本課題的成果在相關(guān)領(lǐng)域中具有重大作用?？晒┫嚓P(guān)領(lǐng)域中在SPWM應(yīng)用中提供專業(yè)工具，能提供全方位試驗(yàn)支持，將縮短相應(yīng)產(chǎn)品的研制周期及性能的提高。
[0009]傳統(tǒng)的采用模擬電路進(jìn)行控制的手段，它雖然具有很好的實(shí)時性，但硬件電路實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜、可修改性差、控制不夠靈活、穩(wěn)定性差、受環(huán)境影響大。數(shù)字化控制具有速度快、控制精度高以及控制方案靈活的優(yōu)點(diǎn)，并且可以利用較少的器件獲得更理想的結(jié)果，因此具有很高的應(yīng)用價值。
[0010]SPWM法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案:
[0011](I)、等面積法
[0012]該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)。
[0013](2)、硬件調(diào)制法
[0014]硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡單，可以 用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波，但是這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0015](3)、軟件生成法
[0016]由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。這兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。
[0017](4)、低次諧波消去法
[0018]低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為u ( ω?) =ansinncot,首先確定基波分量al的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得al，a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大，而且同樣存在計算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。
[0019]傳統(tǒng)的SPWM驅(qū)動芯片速度慢、不夠靈活，存在著電路設(shè)計復(fù)雜、體積大、抗干擾能力差、設(shè)計周期長等缺點(diǎn)，對于許多有特殊要求的場合很難滿足實(shí)際的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0020]針對上述問題，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種在結(jié)合DDS，F(xiàn)PGA，MCU等芯片的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用硬件調(diào)制法把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的全橋SPWM發(fā)生器電路。[0021]本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種全橋SPWM發(fā)生器電路，所述全橋SPWM發(fā)生器電路安裝在信號發(fā)生器中，所述SPWM發(fā)生器電路包括:三角波發(fā)生器，正弦波發(fā)生器，模擬反向器，比較器，反向器，驅(qū)動器，四個場效應(yīng)管，線圈，電阻RL，電容C ;所述三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器發(fā)出的信號進(jìn)入比較器，比較器的輸出信號一半直接進(jìn)入兩個場效應(yīng)管，一半通過驅(qū)動器后進(jìn)入兩外兩個場效應(yīng)管。
[0022]在本實(shí)用新型的具體實(shí)施例中:所述比較器包括第一比較器和第二比較器，反向器包括第一反向器和第二反向器，驅(qū)動器包括第一驅(qū)動器，第二驅(qū)動器，第三驅(qū)動器，第四驅(qū)動器，效應(yīng)管包括第一場效應(yīng)管、第二場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管、第四場效應(yīng)管；所述全橋SPWM發(fā)生器電路還包括線圈、電阻RL和電容C，所述三角波發(fā)生器的輸出通過一個電容Cl后分為兩路，一路連接第一比較器的正向輸入端，另一路連接模擬反向器的輸入端，正弦波發(fā)生器的輸出通過一個電容C2后分為兩路，其中一路連接第一比較器的反向輸入端，另一路連接第二比較器的正向輸入端，模擬反向器的輸出端連接第二比較器的反向輸入端，第一比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第一反向器，另一路連接第二驅(qū)動器；第二比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第二反向器，另一路連接第四驅(qū)動器；第一反向器的輸出連接在第一場效應(yīng)管上，第二反向器的輸出連接在第三場效應(yīng)管上；電阻RL和電容C并聯(lián)后串連所述線圈的一端；第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管之間的連線引出一支路和所述線圈的另一端連接。
[0023]本實(shí)用新型的積極進(jìn)步效果在于:本實(shí)用新型提供的全橋SPWM發(fā)生器電路具有以下優(yōu)點(diǎn):本實(shí)用新型在結(jié)合DDS，F(xiàn)PGA，MCU等芯片的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，擬采用硬件調(diào)制法把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的SPWM波形。避免了等面積法存在的計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)及其他方法中適用范圍局限性等缺陷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為SPWM波形發(fā)生器電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本實(shí)用新型提供的基于SPMW的信號發(fā)生器的原理框圖的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本實(shí)用新型死區(qū)控制電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖給出本實(shí)用新型較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。
[0028]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的水平發(fā)展迅速，各種新技術(shù)的出現(xiàn)使得硬件調(diào)制法成為當(dāng)前最為理想的選擇?；谥苯訑?shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field — Programmable Gate Array)和單片機(jī)(Micro Control Unit)實(shí)現(xiàn)的 SPWM信號發(fā)生器采用SPWM硬件調(diào)制法，具有頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，頻率切換速度快，可達(dá)us量級，頻率切換時相位連續(xù)，輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用，可以產(chǎn)生任意波形，全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。它既有數(shù)字電路穩(wěn)定可靠無漂移、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，又有可重復(fù)編程、設(shè)計靈活的優(yōu)勢，同時還有響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)。
[0029]本實(shí)用新型在結(jié)合DDS，F(xiàn)PGA, MCU等芯片的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，擬采用硬件調(diào)制法把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的SPWM波形。避免了等面積法存在的計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)及其他方法中適用范圍局限性等缺陷。
[0030]圖1為SPWM波形發(fā)生器電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示:SPWM發(fā)生器電路包括:三角波發(fā)生器，正弦波發(fā)生器，模擬反向器，第一比較器，第二比較器，第一反向器，第二反向器，第一驅(qū)動器，第二驅(qū)動器，第三驅(qū)動器，第四驅(qū)動器，第一場效應(yīng)管、第二場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管、第四場效應(yīng)管，線圈，電阻RL，電容C ;所述三角波發(fā)生器的輸出通過一個電容Cl后分為兩路，一路連接第一比較器的正向輸入端，另一路連接模擬反向器的輸入端，正弦波發(fā)生器的輸出通過一個電容C2后分為兩路，其中一路連接第一比較器的反向輸入端，另一路連接第二比較器的正向輸入端，模擬反向器的輸出端連接第二比較器的反向輸入端，第一比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第一反向器，另一路連接第二驅(qū)動器；第二比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第二反向器，另一路連接第四驅(qū)動器；第一反向器的輸出連接在第一場效應(yīng)管上，第二反向器的輸出連接在第三場效應(yīng)管上；電阻RL和電容C并聯(lián)后串連所述線圈的一端；第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管之間的連線引出一支路和所述線圈的另一端連接。
[0031]圖2為本實(shí)用新型提供的基于SPMW的信號發(fā)生器的原理框圖的結(jié)構(gòu)示意圖?；赟PMW的信號發(fā)生器包括單片機(jī)(MCU)、FPGA、兩個直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)、兩路SPWM發(fā)生器電路、兩路死區(qū)控制電路、三路隔離器，三路隔離器分別為第一隔離器、第二隔離器和第三隔離器；兩路SPMW發(fā)生器電路分別和一個直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)連接，單片機(jī)(MCU)與FPGA連接，兩個直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)均由單片機(jī)(MCU)控制，單片機(jī)(MCU)的兩個輸出分別連接一驅(qū)動器后連接第二隔離器，兩路PWM發(fā)生器電路均連接在單片機(jī)(MCU)的輸出上；兩路SPWM發(fā)生器電路均通過直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)連接在單片機(jī)(MCU)上，兩路SPWM發(fā)生器后分別連接兩路死區(qū)控制電路，兩路死區(qū)控制電路后分別連接第一隔離器和第三隔離器；兩個直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)上分別安裝有驅(qū)動器輸出電壓基波。
[0032] 接第一施密特遲滯比較器的另一個輸入端，反向器的輸出連接在第二施密特遲滯比較器的另一個輸入端；第一施密特遲滯比較器的輸出端連接有第一線圈，第二施密特遲滯比較器的輸出端連接有第二線圈。
[0033]在本實(shí)用新型的具體實(shí)施過程中，PWM波由MCU的PWM端直接產(chǎn)生占空比為50%的正方波，頻率最高為6MHz。通過兩路驅(qū)動器、隔離器分別輸出。
[0034]半橋SPWM波發(fā)生器產(chǎn)生一組SPWM波，以驅(qū)動半橋驅(qū)動器。
[0035]MCU的PWM 口產(chǎn)生一個占空比50%的正方波，經(jīng)三角波發(fā)生器、反相放大器輸出兩路正反向三角波。分別與DDS產(chǎn)生的基波比較，輸出兩路SPWM信號，分別通過死區(qū)控制產(chǎn)生全橋驅(qū)動所需的四路驅(qū)動信號。
[0036]死區(qū)時間為:At ^ RC (參見圖3)。死區(qū)控制電路擬采用FPGA完成其功能要求，其中的RC延時電路利用FPGA設(shè)計可以達(dá)到更加精確的延時時間，且可以方便的調(diào)整該延時時間。
[0037]全橋驅(qū)動輸出增加隔離電路是必要的，用以降低外部干擾及對自身的保護(hù)。隔離應(yīng)采用高速器件，響應(yīng)時間要<50nS，否則會引起SPWM波畸變，產(chǎn)生基波的3、5、7次諧波。
[0038]本實(shí)用新型能促進(jìn)SPWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)，包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電、逆變電源等應(yīng)用領(lǐng)域，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。
[0039]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)，本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種全橋SPWM發(fā)生器電路，其特征在于:所述全橋SPWM發(fā)生器電路安裝在信號發(fā)生器中，所述SPWM發(fā)生器電路包括:三角波發(fā)生器，正弦波發(fā)生器，模擬反向器，比較器，反向器，驅(qū)動器，四個場效應(yīng)管，線圈，電阻RL，電容C ;所述三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器發(fā)出的信號進(jìn)入比較器，比較器的輸出信號一半直接進(jìn)入兩個場效應(yīng)管，一半通過驅(qū)動器后進(jìn)入兩外兩個場效應(yīng)管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋SPWM發(fā)生器電路，其特征在于:所述比較器包括第一比較器和第二比較器，反向器包括第一反向器和第二反向器，驅(qū)動器包括第一驅(qū)動器，第二驅(qū)動器，第三驅(qū)動器，第四驅(qū)動器，效應(yīng)管包括第一場效應(yīng)管、第二場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管、第四場效應(yīng)管；所述全橋SPWM發(fā)生器電路還包括線圈、電阻RL和電容C，所述三角波發(fā)生器的輸出通過一個電容Cl后分為兩路，一路連接第一比較器的正向輸入端，另一路連接模擬反向器的輸入端，正弦波發(fā)生器的輸出通過一個電容C2后分為兩路，其中一路連接第一比較器的反向輸入端，另一路連接第二比較器的正向輸入端，模擬反向器的輸出端連接第二比較器的反向輸入端，第一比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第一反向器，另一路連接第二驅(qū)動器；第二比較器的輸出分為兩路，其中一路連接第二反向器，另一路連接第四驅(qū)動器；第一反向器的輸出連接在第一場效應(yīng)管上，第二反向器的輸出連接在第三場效應(yīng)管上；電阻RL和電容C并聯(lián)后串連所述線圈的一端；第一場效應(yīng)管和第二場效應(yīng)管之間的連線引出一支路和所述線圈的另一端連接。
【文檔編號】H03K7/08GK203537352SQ201320465280
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】吳維華, 郭佳偉, 徐明潔, 丁宇菁, 范春 申請人:上海儀器儀表研究所