引言 隨著控制技術(shù)的......



引言
隨著控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)設(shè)備性能要求的不斷提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備不再直接接入交流電網(wǎng)，而是通過(guò)電力電子功率變換得到電能，它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化形式因用電設(shè)備的不同而不盡相同。如通信電源、電弧焊電源、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器、加熱電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電能進(jìn)行整流和逆變變換后得到的。因此，高質(zhì)量的逆變電源已經(jīng)成為電源技術(shù)的重要研究對(duì)象。
1 工作原理
1.1 主電路拓?fù)渑cSPWM的產(chǎn)生
單極性SPWM逆變電路的拓?fù)淙鐖D1所示，由全橋4個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的2路橋臂所構(gòu)成，一路以高頻開(kāi)關(guān)工作頻率工作，稱為高頻臂（S3，S4）；另一路以輸出的正弦波頻率進(jìn)行切換，成為低頻臂（S1，S2）。
圖1 逆變電路主電路結(jié)構(gòu)
單極性逆變有兩種產(chǎn)生SPWM的方法。第一種控制方法是將給定的載波（正弦波）整流成正的，調(diào)制波（三角波）也是正的，如圖2（a）所示，稱為單邊SPWM控制；第二種控制方法是給定的載波（正弦波）是一個(gè)完整的正弦波，調(diào)制波（三角波）當(dāng)正弦波為正時(shí)是正的，當(dāng)正弦波

為負(fù)時(shí)是負(fù)的，如圖2（b）所示，稱為雙邊SPWM控制。
(a) 載波與調(diào)制波均為正
(b)調(diào)制波極性隨載波改變
圖2 兩種SPWM產(chǎn)生原理比較
上述兩種控制方法產(chǎn)生SPWM的機(jī)理不一樣，各自的控制電路也有所不同。
1.2 單極性SPWM的兩種控制方法
1.2.1 單邊SPWM控制
單邊SPWM的控制電路如圖3所示。圖3中的Sg3及Sg4分別對(duì)應(yīng)高頻臂上下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Sg1及Sg2分別對(duì)應(yīng)低頻臂上下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質(zhì)隨之改變。例如，原來(lái)過(guò)零時(shí)Sg1的窄脈沖對(duì)應(yīng)輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。因此，PWM有一突變過(guò)程。
圖3 單邊SPWM控制電路
圖4所示的是單邊SPWM控制方法在過(guò)零點(diǎn)時(shí)的示意圖。圖4中E1為理論上跟基準(zhǔn)（電壓波形）同相位的誤差信號(hào)，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)和輕重，實(shí)際的輸出誤差信號(hào)E2與基準(zhǔn)信號(hào)有一個(gè)相位差。圖中SPWM1是理論上的高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)

信號(hào)，SPWM2則是實(shí)際的高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖4 單邊SPWM控制方法在過(guò)零點(diǎn)時(shí)的示意圖
1）t0～t1時(shí)刻 由圖4可以看到，在t0～t1時(shí)刻，由于給定的低頻臂信號(hào)是1，對(duì)應(yīng)圖3可以知道主電路低頻臂下管導(dǎo)通，圖4中SPWM對(duì)應(yīng)的是高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，上管的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)逐漸變小。由圖1可以知道在t0～t1時(shí)刻，輸出正弦波信號(hào)由正逐漸變?yōu)?。
2）t1時(shí)刻 在t1時(shí)刻，低頻臂信號(hào)由1變?yōu)?，所以，低頻臂由下管導(dǎo)通變?yōu)樯瞎軐?dǎo)通，由圖3可以分析出，在低頻臂切換的同時(shí)，產(chǎn)生SPWM的比較器也進(jìn)行了切換，所以，由E1誤差信號(hào)產(chǎn)生的SPWM（高頻臂上管）在t1時(shí)刻馬上變?yōu)榻咏?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)于高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)，所以高頻臂下管的驅(qū)動(dòng)由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號(hào)由0逐漸變負(fù)。
3）t1～t2時(shí)刻 實(shí)際的輸出誤差信號(hào)E2會(huì)與E1相差一個(gè)相位，所以，產(chǎn)生的SPWM2與SPWM1是不同的。由圖4可以看出：t1時(shí)刻以后，SPWM2馬上就為0，由于高頻臂下管信號(hào)互補(bǔ)于SPWM2，對(duì)應(yīng)于主電路，在t1時(shí)刻高頻臂下管馬上以一個(gè)比較大的占空比導(dǎo)通，然后占空比慢慢變小（圖中SPWM2逐漸變大），高頻臂下管信號(hào)并不是由0逐漸變大，SPWM的突變必然會(huì)引起輸出正弦波信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)的振蕩。可供選擇的解決

方案如下：
（1）在低頻臂切換的同時(shí)，把輸出誤差信號(hào)人為地放電，使其為0，這樣就可以減弱在過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻所引起的振蕩；
（2）人為地把低頻臂信號(hào)超前或滯后一定相位，但是，這一方案由于低頻臂信號(hào)的相位受負(fù)載輕重的影響，實(shí)際上難以做到準(zhǔn)確。
1.2.2 雙邊SPWM控制
雙邊SPWM的控制電路如圖5所示。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質(zhì)隨之改變。例如，過(guò)零前Sg1的窄脈沖對(duì)應(yīng)為輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。然而與單邊SPWM控制所不同的是，雙邊SPWM中的反相動(dòng)作是與低頻臂同時(shí)進(jìn)行的。由于控制器中的輸出沒(méi)有突變，低頻臂的切換也不會(huì)造成輸出的突變。圖6所示的是雙邊SPWM控制方法在過(guò)零點(diǎn)附近的SPWM示意圖。圖6中E1為理論上跟基準(zhǔn)（電壓波形）同相位的誤差信號(hào)，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，實(shí)際的誤差信號(hào)E2會(huì)與基準(zhǔn)信號(hào)相差一個(gè)相位。圖中SPWM1是理論上的高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，SPWM2則是實(shí)際的高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
1）t0～t1時(shí)刻由圖6可以看到，在t0～t1時(shí)刻，由于給定的低頻臂信號(hào)是1，對(duì)應(yīng)圖5可以知道主電路低頻臂下管導(dǎo)通，圖6中SPWM對(duì)應(yīng)的高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由圖1可以知道在t0～t0時(shí)刻，輸出正弦波信號(hào)由正逐漸變?yōu)?。
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2）t1時(shí)刻在t1時(shí)刻，低頻臂信號(hào)由1變?yōu)?，所以低頻臂由下管導(dǎo)通變?yōu)樯瞎軐?dǎo)通，由圖5可以分析出，在低頻臂切換的同時(shí)，產(chǎn)生SPWM的比較器也進(jìn)行了切換，所以，由E1誤差信號(hào)產(chǎn)生的SPWM（高頻臂上管）在t1時(shí)刻馬上變?yōu)?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)于高頻臂上管的驅(qū)動(dòng)，所以，高頻臂下管的驅(qū)動(dòng)由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號(hào)由0逐漸變負(fù)。
3）t1～t2時(shí)刻實(shí)際的輸出誤差信號(hào)E2會(huì)與E1相差一個(gè)相位，所以，產(chǎn)生的SPWM2與SPWM1是不同的，由圖6可以看出，在t1到t2時(shí)刻，高頻臂上管驅(qū)動(dòng)一直都是高電平，由于高頻臂下管互補(bǔ)于上管驅(qū)動(dòng)，所以，在t1到t2時(shí)刻，高頻臂下管是不導(dǎo)通的，此后有一軟開(kāi)通過(guò)程。由圖6中SPWM1與SPWM2的比較可以看出，誤差信號(hào)滯后于基準(zhǔn)信號(hào)有利于抑制正弦波輸出信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)的振蕩。
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2 計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
應(yīng)用電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析于設(shè)計(jì)軟件Matlab，分別對(duì)上述兩種控制方法進(jìn)行了仿真。仿真條件:輸出220V，f=25Hz
2.1 單邊SPWM控制的仿真波形
單邊SPWM控制的仿真波形如圖7所示。從圖7可以明顯地看到，正弦波在過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候有明顯的振蕩，跟理論分析完全吻合。
2.2 雙邊控制方法之仿真波形
雙邊SPWM控制的仿真波形如圖8所示。從圖8可以明顯地看到，正弦波在過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候沒(méi)有振蕩，跟理論分析完全吻合。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 單邊SPWM控制方法之實(shí)驗(yàn)波形
3.2 雙邊SPWM控制方法之實(shí)驗(yàn)波形