专利名称：程序正弦波的脉宽控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于电源变频控制技术领域，特别涉及一种程序正弦波的脉宽控制器。
背景技术：
在电力电子技术领域，上世纪七十年代的功率开关器件仅有普通可控硅用于 工业逆变，由于可控硅存在价格高、不能自行关断、工作频率低等多方面的不足， 使逆变器[现称变频器]应用发展受到了限制，在当时可控硅逆变器的强制换流非 常困难，加上工作频率太低，使逆变器性能大打折扣。随着电力电子技术进步和
发展，以及BJT (电力晶体管)功率器件的出现，电力电子又有了新的发展机会。 尤其是IGBT (绝缘栅双极晶体管)功率器件的出现，进一步促进了中小功率变频 器的发展，然而当前变频控制技术的发展就显得有些滞后，正弦波脉宽控制、电 压空间矢量控制、等儿项技术虽然有较好的性能表现，但由于绝大多数都依赖计 算机技术来实现，因此造价很高，且速度比较低，比较适合大功率场合，用于小 功率成本过高，各大IT制造商也推出了多种型号的由大规模集成电路构成的正 弦波变频控制芯片，但不论从造价、还是性能、都不能满足现代变频需要，至使 小功率变频产品价格居高不下，阻碍节能变频产品、尤其是变频家电的普及应用。 目前运用较多变频控制方式有l.正弦波变压变频式，2.正弦波脉宽调制式 (SP丽)。3.矢量变频(磁链检测式VC或电压空间式)。
1. 正弦波变压变频式变频器是早期使用的变频方法，由于这种变频方式采用 斩波调压系统，这将增加变频器的制造成本，也因调压系统压降和消耗，降低了 电能利用效率。该变频方式也可采用可控硅整流调压，但会造成电网谐波污染、 降低电网功率因数，这对保障供电质量、提高用电效率，都是非常不利的因素。 因此在现代变频产品中已极少被采用。
2. 正弦波脉宽调制式(SPWM)，由于SP觀变频机制本身的三方面原因，不 能有效地抑制高次谐波(1)在工程应用中对SP丽波形生成往往采用规则采样法或专用大规模集成电路器件，并不能保证脉宽调制序列波的波形面积与各段正 弦波面积完全相等；(2)在实现控制时，为了防止逆变器同一桥臂上、下两器件 的同时导通而导致直流侧短路，当同一桥臂上、下两器件作互补工作时，设置了 一个导通时滞5f节。时滞的出现不可避免地造成逆变器输出的SPWM波形有所失 真(上述l、 2两种变频技术引自"交流调速系统"陈敏逊著)。(3) SP丽波形 生成过程中将产生N/2个导通时间不等的序列脉冲模拟正弦波，由于最宽与最窄 脉冲之间相差十几至几十倍，最窄脉冲的导通时间必须大于功率器件允许最小开 通时间，正因为最窄脉冲很窄，因此限制了载波比N的提高，载波比N越低，高 次谐波成分越高。低速特性越差，这就使SPWM的性能参数大打折扣(如图l所 示的上述三种导通脉宽对比图)。通过图1的对比可以看出SPWM与ASP丽导通脉 宽在相同的载波比N 、和相同的的工作频率H的情况下导通脉冲宽度存在比较大 差距，这是SP丽变频控制的致命弱点之一，SP丽要消除序列脉冲中小于最小开 通时间、最小间歇时间的隐患性脉冲，是很困难的事情，采用单板机或大规模集 成电路专用芯片虽然解决了这个难题，但制造成本却因此增加很多，这也是小功 率变频产品、尤其变频家电得不到普及的重要原因。
'3.矢量变频(磁链检测式VC或电压空间式)，本变频方式有多种类型派生控 制模式磁链检测式VC需要在异步电机定子线槽内放置磁链检测装置，并输出 信号控制矢量变频器的通断，在小功率变频中无法采用这种变频方式；电压空间 式主要依靠现代计算机技术，通过对磁链电压信号的检测并进行运算、分析、而 形成控制模式，这种方法是一种非常好的变频方式。但只能用节能不节钱来形容， 究其原因还是价值规律起了作用。就以空调为例，同是1P机，变频与定频价格 却高了一千多元，超过50%以上，人们自然要算计一下，1P机年耗电600度， 开支300元，按节能20%算，年节约60元。二十年收回投入成本，实在太不合 算。主要受变频控制器造价过高的影响，应用在小功率变频器中产品售价很难让 消费者接受。
纵观当前变频市场，研制一种低价格、高性能的控制方法是当务之急，对现 有变频技术进行了系统的分析，认为实现"程序正弦波的脉宽控制"(ASPWM)脉冲的导通和关断来模拟正弦波形，而且这 种导通和关断是经过精确计算和严谨设计的，并可随时进行修正和优化，脉宽控 制则是通过对脉冲占空比的调节来实现的，两者既相互独立，又非常容易协调和 统一。既可实现了同步无级变频，又保证变频器必须的V/F曲线的精确性，经过
之后的发明实践检验，选择这种变频方式是正确的。因此ASP觀变频技术比SPWM 变频技术，性能参数更优越，造价更低廉。ASPei变频技术的性能参数可以和矢 量变频相媲美，但造价却有天壤之别。这就为小功率变频器的发展、变频家电的 普及奠定基础。也为ASPWM变频技术向中功率变频及汽车变频电器的延伸创造了 优越条件。ASP丽变频器的中文名称为[程序正弦波脉宽控制]，本变频器是程序 正弦波技术与脉宽调制[PWM]技术的完美结合，基频以下工作模式为ASPWM状态， 但进入基频以上将自动转变为程序正弦波工作波模式。由于本变频器的上述特 点，使得正弦波变频技术变得更实用、更简单、更可靠、更高速、更廉价，最有 利于中小功率变频器的推广，ASP丽技术的发明必将推进节能变频家电产品普及 步伐，ASP丽变频技术全部采用数字技术，但整个线路均采用小规模通用数字电 路芯片、和32K只读存储器、即可g现ASPmr变频控制。正因为取缔大规模集成 电路芯片、高运算速度的CPU、和大容量的储存系统，所以大幅度降低了制造成 本，由于ASP麵变频技术省略了繁杂运算过程，提高了运行速度，因此可满足IGBT 等高频功率器件的控制的需要。ASP舰以简洁的线路，独有数学理论为基础，形 成全新的正弦波变频的控制方案。在性价比上ASPWM技术高于上述各种变频技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种程序正弦波的脉宽控制器。其特征在于，所述程序 正弦波的脉宽控制器的组成及控制过程为从"Cp"端有控制脉冲输入， 一路 经0-503环形计数器经地址信号A0-—A8循环地为正弦波数据存贮器EEPR0M输 入0-503地址，EEPROM根据地址读出正弦波数据，经工03—I08将正弦波数据输 送绐总控制器，同时又经101—102将信号输送绐微分变换电路至"脉宽信号控 制器"用来控制脉宽信号的开通，该脉宽信号再输送总控制器，与此同时"Cp" 端控制脉冲输入的另一路信号输送绐"频率检测"、"脉冲宽度"及"载波比N"联合控制器处理后，分两路分别输送给脉宽信号控制器和二进制译码器，"频率
检测"则根据"Cp"的频率向EEPR0M发送相应地址区域指令； 一路进入上述脉 宽信号控制器，另一路进入二进制译码器后，经过A9—All进入正弦波数据存贮 器，EEPR0M向"ASPWM信号调测"输送与"Cp"频率相对应正弦波数据；"频率 检测还会为脉宽信号控制器输送与"Cp"频率相对应数据，"脉宽信号控制器" 根据此数据为ASPWM信号控制提供脉宽数据；然后"正弦波数据"与"脉宽数 据"在总控制器中，对两路信号进行信号调测，对两个同步信号进行调制处理， 便形成与整块控制板相互隔离的功率器件驱动信号，输出ASPWM控制信号，总控 制器输出l一6路ASPWM控制信号至功率器件控制极。
所述联合控制器的载波比N对应于小功率变频器和变频家电产品的正弦波程 序，设计为(1) N=504、 (2) N=252、 (3) N二126、 (4) N=72、 (5) N=36;或将N 设置为1008来提高低频性能。
所述Cp端输入的控制脉冲=变频器工作频率*最高载波比N。 所述变频器工作频率是3H-300H，百倍频程的变频，其中包括5H-50H或 5H-150H档；该程序共分五段完成变频器的全程同步控制，这个范围完全能够满 足小功率变频器变频技术要求。
所述功率器件的通断控制，由在"程序正弦波的脉宽控制"工作状态下的导
通脉宽公式计算
S通={1+ (50XN) } XlCf微秒，S断=(50—F工)+ (50XNXF工)
Xl(f微秒;
其中S通、S断分别为功率器件的导通时间和关断时间；F工为变频器工作 频率；N:载波比；(式中；"50"为电网频率单位为赫滋)；
本发明的有益效果是ASPWM变频方式，有一个非常特殊的特性，只要载波比
N确定下来，功率开关导通时间就固定不变，你可以任意变换变频器工作频率， 都不影响这个时间常数。当你改变载波比N，时间常数也随之改变。正是这个特 性，使ASP丽变频方式非常容易控制，我的发明就是利用这个特性，构成了一块
简单、实用的ASP丽变频控制板；本控制系统有一套简单、实用、便于调整、且绝对线性的电压补偿电路。确保电动机低频运行扭矩的恒定。本系统频率变换很 方便，改变"Cp"频率，正弦波频率既可改变。本变频器是程序正弦波技术与脉
宽调制[P丽]技术的完美结合，基频以下工作模式为ASPWM状态，但进入基频以
上将自动转变为程序正弦波工作波模式。由于本变频器的上述特点，使得正弦波 变频技术变得更实用、更简单、更可靠、更高速、更廉价，最有利于中小功率变 频器以及电动自行车.汽车专用变频产品.(替代直流电机,可大幅度延长使用寿命.增 加可靠性。可以广泛的推广应用。
图1为SPWM、电压空间式、ASP丽三种导通脉宽对比图。
图2为ASP麵变频器在不同频率、不同载波比N脉冲对比图。
图3为ASPWM变频器组成及控制方案示意图。
图4a为ASP丽变频器双面线路板正面示意图。
图4b为ASP觀变频器双面线路板背面示意图
图5为脉宽信号调制电路原理图。
图6为ASPWM变频器双面线路板II原理图。
图7为0-503环形计数器原理图。
图8为总控制器电路原理示意图。
具体实施例方式
本发明提供一种程序正弦波的脉宽控制器。在图3所示的ASPWM变频器组成 及控制方案示意图中，ASP画正弦波数据是使用VHDL编制的微程序，保存在32K 的EEPR0M只读存储器中，可以方便的读取、修正和优化。程序正弦波的脉宽控 制器ASP丽的原理为从"Cp"端输入控制脉冲， 一路经由CD4011、 CD4040、 CD4068构成的0-503环形计数器(如图7所示)，经地址信号AO—-A8循环地为 正弦波数据存贮器(由EEPR0M 2817A担任)输入0-503地址，EEPROM根据地址 读出正弦波数据，经103—108将正弦波数据输送绐总控制器同时又经101—102 将信号输送绐微分变换电路至"脉宽信号控制器"用来控制脉宽信号的开通，该 脉宽信号再输送总控制器，与此同时"Cp"端控制脉冲输入的另一路信号输送绐"频率检测"、"脉冲宽度"及"载波比N"联合控制器处理后，分两路分别输送
给脉宽信号控制器和二进制译码器，"频率检测"则根据"Cp"的频率向rom发 送相应地址区域指令； 一路进入上述脉宽信号控制器，另一路进入二进制译码器 后，经过A9—A11进入正弦波数据存贮器，EEPR0M向"ASPWM信号调测"输送与 "Cp"频率相对应正弦波数据；"频率检测还会为脉宽信号控制器输送与"Cp"
频率相对应数据，"脉宽信号控制器"根据此数据为asp 信号控制提供脉宽数
据；然后"正弦波数据"与"脉宽数据"在总控制器中，对两路信号进行信号 调测，ASPWM信号调制由TLP-521AX2担任，对两个同步信号进行调制处理，便 形成与整块控制板相互隔离的功率器件驱动信号，输出aspwm控制信号，总控制 器输出1—6路(如图8所示)asp丽控制信号至功率器件控制极。
所述功率器件的通断控制，由在"程序正弦波的脉宽控制"工作状态下的导 通脉宽公式计算
s通={1+ (50XN) } X10"微秒^ S断=(50—F工)+ (50XNXF工)
Xl(f微秒；其中S通、S断分别为功率器件的导通时间和关断时间；F工为变 频器工作频率；N:载波比；所述Cp端输入的控制脉冲=变频器工作频率W最高 载波比N。
载波比N: (1) H=5-11，N二504; (2)H=11-23， N=252; (3)H=23—46, ， N二126; (4)H=46-150，N=72 . VHDL微程序地址区域分布是A{0—503} B {512—1015} C{1024—1527} D{1536—2039}',
通过上述公式计算出与载波比N相对应的导通脉宽为在N504时，S二39. 68 微秒；在N252时，S=79. 36微秒；在N126时，S =158. 72微秒；在N72时，S =277. 76微秒；在N36时；S=555. 52微秒；若将N设置为1008来提高低频性能。 但在存储器空间利用方面唯有N二504这组最高达98. 44%，所以首选了 N=504这组； 所述变频器工作频率是5H—-150H，计30倍频程，该程序共分五段完成变频器的 全程同步控制，这个范围完全能够满足小功率变频器、变频家电的变频技术要求。 ASPWM "程序正弦波的脉宽控制"方案确定后，进行了复杂数据验算及和单 元电路实验工作。实践证实本构思是正确的。图4a是双面线路板正面图、图4b是双面线路板背面图。该线路板包括正面和背面两层，频率检测由74LS123X2、 74LS175构成(如图5所示)；图6中NE555、 CD4016构成脉宽信号调制电路。本 发明共计使用11块通用小规模数字集成电路和阻容器件组成。其中LM74L123为 双可再触发单稳多谐振荡器；74LS175为4D触发器。C- (1-4) R- (1-4)组 成了频率比较器，检测"CP"频率并向数据存贮器传送地址区域指令，同时 为脉宽控制器传送脉宽数据。NE555与C- (A-A3) R-A组成了可再触发单稳多谐 振荡器，CD4016为4路双向模拟开关根据步员率比较器(74LS175) 1-4D端的数
据适时接通C-(卜4)变换定时脉冲宽度并为总控制器提供脉宽数据。
本控制器的工作电源电压5V、功率器件控制电压18V。两组电源均由功率 板自P-l、 P-2导入控制器。时脉冲脉冲CP自P-l输入，补偿调节由P-2输入， 在进行小批量工业实验生产中完成了 VHDL微程序的优化。所述程序正弦波的脉 宽控制器设计为微程序的形式，分4-6组存放于EEPROM内，(根据变频功率、变 频范围而定)各组微程序"位"相对应输出顺序一致，"行"的地址位置则对应 各组微程序导通相位。以各组微程序的地址位置"行数"相等，通过对微程序做 (除2、 4、 7、 14、 28)的变换，形成长度相等，相位一致。载波比为504、 252、 126、 72和36—组微程序，按此原理，可设计出若干组不同载波比的微程序的不 同组别，如
N=183672144288576，
N=2.14284168336672
N=244896192384768
N=2754108216432864
N=3060120240480960
N二33661322645281056
上述微程序除标准模式外，还可进行优化以形成与"电压空间矢量控制"基本一 致正弦波波形。基频己上为了保护功率器件一般均使用标准模式，不必要进行优
化。本正弦波的脉宽控制器的弦波波数据分组存储于EEPROM内根据频率变化随 时变换载波比N，而脉宽信号控制器则根据载波比N用变换定时的方式同步输出正弦波的脉宽。二者分别设计，(均为单因素，可提高控制精度)互不影响，通 过对两个同步信号进行调制既可方便变换输出频率，又可保持"电压/频率"值 的恒定。因是无级线性变换，本方案的控制精度超越其它任何变频方式。根据 本发明的公式S通^ 1+ (50XN) }X10S微秒， S断二 (50—F工)+ (50XNXF工)Xl(f微秒,(式中；"50"为电网频率 单位为赫滋)保证了 ASP丽序列波形面积与各段正弦波面积相对一 致。
通过对上图波形的分析对比，上述ASP丽变频器特性更清晰、更直观。只 有全面了解ASPWM这一特性，才能体现本发明的独创性和新颖性。
ASPWM变频控制方案允许使用较高的载波比N，以利取得更好的低频特性。 只要设计人员了解ASPWM基本特性，掌握了基本设计规律，该系统就不会产生"最 小导通脉冲"和"最小间歇脉冲"，更不可能因为上述原因损害功率器件。
权利要求
1.一种程序正弦波的脉宽控制器，其特征在于，所述程序正弦波的脉宽控制器的组成及控制过程为从“Cp”端输入控制脉冲，一路经0-503环形计数器经地址信号A0-A8循环地为正弦波数据存贮器EEPROM输入0-503地址，EEPROM根据地址读出正弦波数据，经IO3-IO8将正弦波数据输送绐总控制器同时又经IO1-IO2将信号输送绐微分变换电路至“脉宽信号控制器”用来控制脉宽信号的开通，该脉宽信号再输送总控制器，与此同时“Cp”端控制脉冲输入的另一路信号输送绐“频率检测”、“脉冲宽度”及“载波比N”联合控制器处理后，分两路分别输送给脉宽信号控制器和二进制译码器，“频率检测”则根据“Cp”的频率向ROM发送相应地址区域指令；一路进入上述脉宽信号控制器，另一路进入二进制译码器后，经过A9-A11进入正弦波数据存贮器，EEPROM向“ASPWM信号调测”输送与“Cp”端控制脉冲相对应正弦波数据；“频率检测还会为脉宽信号控制器输送与“Cp”端控制脉冲相对应数据，“脉宽信号控制器”根据此数据为ASPWM信号控制提供脉宽数据；然后“正弦波数据“与“脉宽数据”在总控制器中，对两路信号进行信号调测，对两个同步信号进行调制处理，便形成与整块控制板相互隔离的功率器件驱动信号，输出ASPWM控制信号，总控制器输出1-6路ASPWM控制信号至功率器件控制极。
2. 根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制器，其特征在于，所述联合控 制器的载波比N对应于小功率变频器和变频家电产品的正弦波程序，设计为(1) N=504、 (2) N二252、 (3) N=126、 (4) N=72、 (5) N=36;将N设置为1008来提高 低频性能。
3. 根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制器，其特征在于，所述Cp端 输入的控制脉冲^变频器工作频率X最高载波比N。
4. 根据权利要求3所述程序正弦波的脉宽控制器，其特征在于，所述变频器 工作频率是3H-300H，百倍频程的变频，其中包括5H-50H或5H-150H档；该程 序共分五段完成变频器的全程同步控制，这个范围完全能够满足小功率变频器变 频技术要求。 '
5.根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制器，其特征在于，所述功率器 件的通断理论时间控制，是遵守"程序正弦波的脉宽控制"工作状态下的导通脉宽公式计算S通={1+ (50XN) )X1()6微秒、S断二{ (50—F工)+ (50XF工XN) )X1(T微秒；其中S通、S断分别为功率器件的导通时间和关断时间； F工为变频器工作频率；N:载波比；(式中；"50"为电网频率单位为赫滋)
全文摘要
本发明公开了属于电源变频控制技术领域的一种程序正弦波的脉宽控制器。由环形计数器经地址信号循环地为正弦波数据存贮器输入0-503地址，EEPROM根据地址读出正弦波数据，经IO3-IO8将正弦波数据输送给总控制器，同时又经IO1-IO2将信号输送给微分变换电路至“脉宽信号控制器”，该脉宽信号再输送给总控制器，与此同时输入的另一路控制脉冲信号输送给联合控制器处理后，分两路分别输送给脉宽信号控制器和二进制译码器，后经正弦波数据存贮器将正弦波数据输送给总控制器，在总控制器中，对两个同步信号进行调制处理，输出ASPWM控制信号驱动功率器件，本发明简单、可靠、成本低，有利于中小功率变频器的推广。
文档编号H02M1/08GK101295920SQ20081011533
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者马庆文 申请人:马庆文