數(shù)字PWM是變頻電源的發(fā)展方向，本文分析了逆變電源的方波、SPWM和SVPWM三種調(diào)制方式的優(yōu)缺點，設(shè)計出一種具有各種調(diào)試優(yōu)點的變頻電源，對某些特殊條件的應(yīng)用具有一定價值。如對于一些特種電機要求電源具有較小的體積和較輕的重量；電源系統(tǒng)要滿足航空電器沖擊、振動的高可靠性要求；頻繁啟動和關(guān)閉，需保證電機都能工作、不死機；低溫環(huán)境(-10 ℃以下)工作時，逆變器加大輸出功率達1.5倍左右，即逆變器電壓、電流在低溫下高于額定值，保證電機在低溫時能啟動和工作。針對這些特殊使用要求，研制出特種電機(數(shù)字PWM三相變頻電源)，具有較廣泛的使用價值。
1 設(shè)計方案
1.1 三相變頻電源系統(tǒng)方案
    數(shù)字PWM三相變頻電源系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括單片機控制系統(tǒng)電壓、電流檢測電路，三相逆變?nèi)珮蛑骰芈罚嗄孀內(nèi)珮蝌?qū)動與控制電路。

    單片機控制系統(tǒng)用于數(shù)字PWM信號的產(chǎn)生、MOS管驅(qū)動芯片的控制和逆變電路電壓電流及其他信號的采集。電壓、電流檢測電路用于閉環(huán)控制系統(tǒng)和檢測逆變電路中故障狀態(tài)，采集的信號有直流輸入電壓和三相逆變輸出電流。
1.2 主回路與驅(qū)動控制電路
    三相數(shù)字式逆變電路主回路采用電壓源型三相全橋全控式逆變電路, 電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    采用IRF7855逆變?nèi)珮螂娐烽_關(guān)管，漏源極電壓為60 V，導(dǎo)通電流可達12 A。MOS管驅(qū)動采用IRF2133，PWM輸入和控制端口能夠兼容CMOS和LSTTL兩種電平規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)欠壓封鎖、過流關(guān)斷以及故障輸出與清除等功能，以便數(shù)字化控制。
1.3 三相逆變調(diào)制算法原理對比分析
    使用最廣泛的數(shù)字式PWM三項逆變電路的控制算法有三相方波逆變、三相SPWM逆變和三相電壓空間矢量SVPWM，它們都具有各自的特點和應(yīng)用范圍[1-2]。
    (1)三相PWM方波是利用三路與逆變輸出正弦電壓相同頻率、相位角相差120°的方波驅(qū)動三相全橋的上橋臂開關(guān)管，下橋臂的驅(qū)動信號由對應(yīng)相的上橋臂驅(qū)動信號取反得到，從而產(chǎn)生6路三相PWM方波逆變驅(qū)動信號，如圖3(a)所示。圖3(b)所示為a、b、c三相對異步電機中點的電壓波形。這種數(shù)字式PWM技術(shù)具有電壓諧波含量高、輸出電壓不可控等缺點。對于額定的直流輸入電壓，這種PWM技術(shù)相比其他能夠輸出有效值更大的三相電壓、直流電壓利用率高，能進一步提高三相異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩，所以使用較廣泛。

    (2)三相SPWM逆變通過載波調(diào)制技術(shù)得到可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對稱正弦波供電電源。通過三相正弦調(diào)制波與三角載波比較，得到與正弦波形等價的PWM波形，如圖4所示。SPWM技術(shù)相對三相PWM方波技術(shù)在電壓波形上有較大改善，諧波電壓含量相對較低，輸出電壓可以調(diào)節(jié)，但對于相同的直流輸入電壓，SPWM技術(shù)得到的三相電壓有效值和直流電壓的利用率都最低。

    (3)三相電壓空間矢量是借助空間電壓矢量概念發(fā)展起來的一種PWM算法，它把三相變流器的指令輸出電壓在復(fù)平面上合成為電壓空間矢量，并通過不同的開關(guān)矢量組合去逼近指令電壓空間矢量[4]。電壓矢量合成的原則是6個扇區(qū)中任意一個扇區(qū)中的電壓矢量可以用該扇區(qū)2個邊界電壓矢量合成，它們之間的矢量關(guān)系如圖5(a)所示。圖5(b)顯示了在I～VI 6個扇區(qū)中合成矢量時對應(yīng)的開關(guān)管的開關(guān)順序，這種順序保證了一個周期中開關(guān)次數(shù)最少。對于同樣大小的直流輸入，與傳統(tǒng)的SPWM相比，其開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)減少了1/3，直流電壓的利用率可提高15%，能獲得較好的諧波抑制效果,且易于實現(xiàn)數(shù)字化控制，所以SVPWM數(shù)字PWM算法在各個方面都優(yōu)于SPWM技術(shù)。

    這三種PWM技術(shù)中，三相電壓空間矢量的方法在三相異步電機作為負載時最能體現(xiàn)其優(yōu)越性，電壓空間矢量控制系統(tǒng)將逆變器和交流電機視為一個整體，通過調(diào)節(jié)電壓空間矢量從而使異步電機的磁鏈運動軌跡接近一個圓弧[5]。采用前饋式開環(huán)系統(tǒng)，利用數(shù)字的方法也可產(chǎn)生逆變?nèi)珮虻尿?qū)動信號。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要通過坐標變換的方式實現(xiàn)，需要進行復(fù)雜的三角函數(shù)和坐標旋轉(zhuǎn)運算，計算量大、復(fù)雜的算法對高精度實時控制產(chǎn)生了不可忽視的影響。參考文獻[3]使用閉環(huán)控制算法，其包含無理數(shù)的近似運算、絕對值的運算及坐標旋轉(zhuǎn)運算等，而普通單片機一般采用專用DSP芯片或者FPGA技術(shù)，很難實時完成這些計算量。
    三種調(diào)制中，SVPWM調(diào)制在各個方面都比SPWM調(diào)制優(yōu)越，且利用前饋式逆變算法更簡單，但SVPWM無法取代PWM方波調(diào)制中的直流電壓利用率高這一優(yōu)點，故該逆變系統(tǒng)可利用PWM方波解決啟動轉(zhuǎn)矩等問題。啟動完成后變換成SVPWM調(diào)制方式，保證了輸出電能質(zhì)量高、輸出電壓可調(diào)。
1.4 三相逆變變頻的控制實現(xiàn)方法
    TI公司MSP430系列的單片機定時器和PWM控制單元在數(shù)字式變頻器上具有相對的優(yōu)勢，它具有專用電機控制DSP處理器TMS320F2812的很多優(yōu)點。單片機內(nèi)部自帶的DCO時鐘振蕩器能夠在1~16 MHz的范圍內(nèi)變化，并且外部可以連接32.768 kHz的低頻振蕩器。內(nèi)部帶有兩個16位定時器單元TimerA和TimerB，TimerB能夠同時輸出7路PWM調(diào)制脈沖，并且定時器的時鐘分頻系數(shù)可調(diào)，這些有利的條件給變頻帶來了極大的方便。利用該定時器增減技術(shù)模式，可以很方便地實現(xiàn)前饋式SVPWM控制算法，并能有效地解決閉環(huán)控制上的延時、極限環(huán)振蕩等特殊問題。故結(jié)合MSP430單片機的時鐘資源與強大的定時器，實現(xiàn)電源逆變的變頻控制。
2 試驗結(jié)果分析
    利用TI公司MSP430系列單片機和IRF2133三相全橋驅(qū)動控制芯片，設(shè)計了數(shù)字式PWM三相變頻電源樣機，在低壓軍用特種異步電機水泵額定負載上對三相PWM方波逆變、SVPWM逆變分別進行了實驗，并對三相線電壓、線電流、電諧波進行了試驗。額定直流輸入電壓為28 V，逆變頻率設(shè)計為190 Hz，開關(guān)頻率約為12 kHz。測試儀器為Fluke 43B型電能質(zhì)量分析儀，試驗波形如圖6、圖7所示。

    由圖6可以發(fā)現(xiàn)，變頻電源三相輸出的線電壓波形為馬鞍型波，通過異步電機感性負載后，輸出的電流波形畸變程度較大，諧波分析顯示，無3次諧波，主要含有5次和9次諧波，含量為20.4%。
    圖6、圖7結(jié)果對比顯示，對于相同直流輸入電壓和開關(guān)頻率，SVPWM調(diào)制算法使異步電機三相繞組中的電流實現(xiàn)了正弦波形最優(yōu)化，電流諧波含量達到了最低，從而實現(xiàn)了脈動電機脈動的最小化。但這種算法的電壓利用率相對較低，無法實現(xiàn)最大的輸出電壓，在某些場合限制了電機轉(zhuǎn)矩的進一步提高，但三相PWM方波逆變在電機短時間運行時可以彌補這一缺陷。表1為在同一負載的條件下，分別采用兩種調(diào)制方式測試的不同直流輸入電流和功率，數(shù)據(jù)顯示在同一電壓下PWM的直流輸入功率要遠遠大于SVPWM調(diào)制，這也側(cè)面反映了PWM調(diào)制在電壓利用率上較高，即PWM調(diào)制提供的電機轉(zhuǎn)矩較大。

    在軍用特種異步電機水泵上測試了SVPWM調(diào)試技術(shù)在不同直流輸入電壓下的負載能力，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)表明電流諧波幾乎不受直流側(cè)電壓波動的影響，受影響的僅是輸出功率，這說明SVPWM電源輸出的電能質(zhì)量高，能夠保證電機長時間可靠運行。最后在高溫80℃和低溫-40℃環(huán)境中進行頻繁啟動、關(guān)閉和電壓開通、關(guān)斷沖擊，都未出現(xiàn)電機啟動不了、系統(tǒng)死機等現(xiàn)象，進一步驗證了該款數(shù)字PWM三相變頻電源的可靠性。

    通過對三種常用數(shù)字PWM技術(shù)的分析，本文設(shè)計了一款綜合不同數(shù)字PWM控制的優(yōu)點實現(xiàn)于同一逆變系統(tǒng)上三相數(shù)字式PWM逆變變頻，其具有以下特點：
    (1)變頻電源體積小、質(zhì)量輕，輸出功率高。制作出的樣機的體積僅為50 mm×42 mm×20 mm，試驗測試輸出功率可達100 W。
    (2)采用SVPWM算法，使電源輸出電能質(zhì)量高、電流諧波低，輸出電能質(zhì)量幾乎不受輸入電壓波動影響。
    (3)數(shù)字控制算法靈活、多樣，該電源系統(tǒng)啟動采用了PWM方波調(diào)試，啟動后采用SVPWM調(diào)制。
    同一主電路綜合各PWM算法優(yōu)點實現(xiàn)不同的控制算法，可以解決異步電機啟動、調(diào)速和長時間可靠工作等要求。今后將結(jié)合軟開開關(guān)技術(shù)，進一步提高變頻電源的電能利用效率。
參考文獻
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