一种产生spwm波的组合式局部倍频采样算法
【专利摘要】本发明公开了一种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，以正弦曲线的零点为中点取一段对称区域，在该区间上根据数学上线性组合的方式构造出虚拟的采样点以实现“倍频”的效果，在现实采样点个数一定的情况下，随着“倍频”的区域变宽或“倍频”的次数变多，谐波的能量会逐步的向高频方向移动，从而降低了低次谐波分量的能量。本发明把谐波能量“转移”到高次谐波区域，有利于过滤掉低次谐波分量，得到更加接近正弦波的控制信号，并且该算法简单，易于编程实现，主要应用于整流器和逆变器中。
【专利说明】-种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子领域，具体涉及一种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算 法，主要应用于伺服电机控制、逆变电源、变频器和整流器等。
【背景技术】
[0002] 随着微处理机技术、计算机技术和电力电子技术、自动控制理论等相关学科的快 速发展，采用脉冲宽度调制（PulseWidth Modulation，简称PWM)技术的逆变器成为了当代 电力电子技术中最基本的装置之一。自从PWM技术出现以后，PWM技术凭着其灵活多变的 调频调压方式和优良性能，在伺服电机控制、UPS、整流器和变频器等领域也都得到了广泛 的使用。至今，全球几个主要的电气公司所生产的变频调速器几乎都是采用PWM调制技术 的。但是，无论采用现有的任何一种PWM调制方式，由于受控制技术和开关频率的限制，其 输出的波形中都不可避免地会含有较高的谐波分量，使得采用了 PWM控制技术的各种电力 电子装置反而成为了"最大的干扰源"。对于小功率系统的影响可能不大明显，但是对于中、 大功率系统而言，谐波带来的影响不仅仅是会造成能量的损耗，还带来了很多危害，谐波污 染的问题概括起来，其主要有以下几方面： (1)对旋转式的电机而言，谐波会使其产生转矩脉动，增加功耗(铜损和铁损）使其导致 发热，甚至还有可能会引起振动或者谐振。还有，谐波会使电机或逆变器等产生电磁噪音， 污染环境。
[0003] (2)对容性负载而言，某些谐波还会使其谐振，谐波电流增大，导致电容器因过负 荷或过电压而损坏。在电力系统中，谐波对电力电缆也会造成过负荷或过电压而击穿的危 害。
[0004] (3)对于变压器而言，增加其负载损耗，特别是在发生谐振的时候，谐波也将会被 变压器所放大，会使其损耗大大地增加，甚至还会引发严重电力事故。
[0005] ( 4 )对于电力系统而言，有可能会造成继电保护和自动控制装置误动作，并且使电 气测量仪表的计量不准确，影响电力监控。
[0006] (5)谐波所产生的电磁干扰（EMI)会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声， 降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
[0007] 考虑到谐波存在着这么多的危害，谐波污染及其如何抑制的问题也已成为了人 们研究的重要课题，对减小逆变器输出谐波的研究也成为一个热点的研究。至今，PWM逆变 器的谐波抑制技术也经历了一个不断创新和不断完善的发展过程，现主要的抑制方法有以 下两个： (1)采用随机PWM技术以抑制谐波分量，其原理是通过随机改变逆变器的开关角或开 关频率的方式，使得谐波频谱中幅值较大的谐波分量得以分散，频谱变疏，从而使谐波沿频 谱的频率轴分布更为连续。但是，该方法会使得其谐波分量的分布范围较宽，不利于滤波。
[0008] 常见的随机PWM技术有：随机开关频率和随机脉冲位置两种。其中随机开关频率 方式比较常用。随机地改变开关的频率，使得电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率 坐标系中，各频率能量分布是均匀的噪声信号)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关 频率为特征的有色噪音强度却被大大地削弱了。因此，对于载波频率必须限制在较低频率 的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值。同时，该技术的出现也说明了消除机械和电磁噪音 的最佳方法并不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析解决这种问题 的全新思路。
[0009] (2)特定谐波消除脉宽调制技术（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation--SHEPWM)，顾名思义，通过开关时刻的优化选择来产生PWM，消除了选 定的低次谐波，具有波形质量高、效率高、直流电压利用率高、直流侧滤波器尺寸小等显著 优点。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为首先确定基 波分量β丨的值，再令两个不同的4 =〇,就可以建立三个方程，联立求解得愚、%及这3，这样 就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是剩余未 消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点，该方法同样只适 用于同步调制方式中。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种采样频率一定时，可以有效地抑制低次谐波分量的 SPWM采样算法，该方法简单，易于数字化实现，节省DSP硬件资源。
[0011] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现： 一种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，包括以下步骤： 步骤（1):通过外部电路输入设定调制波频率<、调制度、载波比I、虚拟倍频区间 系数、虚拟倍频倍数和死去时间^等参数，并累计保存所有波峰和波谷采样点的值； 步骤（2):在正弦波零点附近根据系数1^选取一段区域为虚拟倍频区间，该区间内每 对波峰波谷采样点之间，通过数学的线性组合方法，构造出一个"虚拟采样点"的值，运用多 个"虚拟采样点"的值计算出使DSP输出SPWM波形的寄存器比较值，多次取样计算，求得一 个半调制波周期的高低电平跳变时刻表，并保存在DSP的内存中； 步骤（3):运用所述步骤（2)所得到的半调制波周期的高低电平跳变时刻表，根据正弦 调制波的对称性和多相对称正弦波的相位差性质，生成多相对称的SPWM控制信号波形。
[0012] 优选的，所述步骤（1)中采样时仅在一个调制波周期的正半周或者负半周进行采 样。
[0013] 优选的，仅在以正弦调制波的零点为中心的某段对称区间内，运用相邻两个三角 载波的采样值进行线性组合，构造出一个虚拟的载波采样值。
[0014] 优选的，利用切线采样法推算出开关的通断时刻值：过前波谷采样点作正弦调制 波的切线与三角载波的前波峰面相交，确定开关的导通时刻，过前波峰采样点作正弦调制 波的切线与三角载波的后波峰面相交，确定开关的关断时刻。
[0015] 优选的，所述三角载波包括实际三角载波和虚拟的三角载波。
[0016] 本发明的有益效果是： 1、充分利用了 DSP运算速度快的优势，使用线性组合的方式达到倍频的效果，减少了 低速的A/D采样工作。提高了系统的实时性。
[0017] 2、通过局部倍频的方式把低次谐波分量的能量转移到了高次谐波分量中，方便过 滤掉低次谐波分量，得到更加接近正弦波的控制信号。
[0018] 3、推导出计算开关时刻点的公式，简化了程序的编写，更易于把该新方法用数字 化实现。
[0019] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 图1为产生SPWM信号的系统框图； 图2为组合式局部倍频采样算法原理图； 图3为CLMSPWM算法公式推导原理图； 图4为三相对称CLMSPWM控制信号图； 图5为生成CLMSPWM信号的程序流程图； 图6为CLMSPWM与传统自然采样SPWM信号的FFT分析比较波形图，其中（a)为传统自 然采样SPWM图，（b)为CLMSPWM图； 图7为CLMSPWM算法应用于三相异步电机调速的定子电流波形isa、定子相电压Ua、线 电压波形Uab、和定子d-q磁链波形图，其顺序为图（a)-图（d)。
【具体实施方式】
[0021] 下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0022] 参照图1和图5所示，一种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法： 通过外部电路输入设定调制波频率J^、调制度%、载波比虚拟倍频区间系数&、 虚拟倍频倍数&和死去时间^等参数，启动电路，引入电机定子电流反馈信号，在三角载 波的波峰和波谷时刻对反馈信号进行采样，并累计保存采样点的值(假定系统稳定，定子电 流波形接近正弦波，故采样值可暂写成，采样时仅在每个调制波周期的正半周采 样； 参照图2所示，在正弦调制波的零点时刻附近根据系数选取一段区域为虚拟 倍频区间
【权利要求】
1. 一种产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，其特征在于包括以下步骤： 步骤（1):通过外部电路输入设定调制波频率义、调制度％、载波比JV、虚拟倍频区间系 数A、虚拟倍频倍数工2和死去时间等参数，并累计保存所有波峰和波谷采样点的值； 步骤（2):在正弦波零点附近根据系数取一段区域为虚拟倍频区间，该区间内每对 波峰波谷采样点之间，通过数学的线性组合方法，构造出一个"虚拟采样点"的值，运用多个 "虚拟采样点"的值计算出使DSP输出SPWM波形的寄存器比较值，多次取样计算，求得一个 半调制波周期的高低电平跳变时刻表，并保存在DSP的内存中； 步骤（3):运用所述步骤（2)所得到的半调制波周期的高低电平跳变时刻表，根据正弦 调制波的对称性和多相对称正弦波的相位差性质，生成多相对称的SPWM控制信号波形。
2. 根据权利要求1所述的产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，其特征在于，所述 步骤（1)中采样时仅在一个调制波周期的正半周或者负半周进行采样。
3. 根据权利要求1所述的产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，其特征在于，仅在 以正弦调制波的零点为中心的某段对称区间内，运用相邻两个三角载波的采样值进行线性 组合，构造出一个虚拟的载波采样值。
4. 根据权利要求1所述的产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，其特征在于，利用 切线采样法推算出开关的通断时刻值：过前波谷采样点作正弦调制波的切线与三角载波的 前波峰面相交，确定开关的导通时刻，过前波峰采样点作正弦调制波的切线与三角载波的 后波峰面相交，确定开关的关断时刻。
5. 根据权利要求4所述的产生SPWM波的组合式局部倍频采样算法，其特征在于，所述 三角载波包括实际三角载波和虚拟的三角载波。
【文档编号】G05B11/28GK104298107SQ201410423420
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】刘红俐, 陈健亨, 朱其新 申请人:苏州科技学院