专利名称：一种程序正弦波的脉宽控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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
控制装置。
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、等几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，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。这种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(SP丽)，由于SP丽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画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环节。时滞的出现不可避免地造成逆变器输出的SP丽波形 有所失真(引自"交流调速系统"陈敏逊著)。(3) SPWM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SP丽与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SPWM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，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。
通过对现有变频技术进行的系统分析，上述几种产品存在性价比问题，致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。
"程序正弦波的脉宽控制"(ASP丽)通过控制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 ASPWM变频技术比SPWM变频技术，性能参数更优越，造价更低廉。ASPWM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ASP丽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。 发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的产品存在性价比问题，致使小功率变 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的不足 而提供一种程序正弦波的脉宽控制装置。其特征在于，所述程序正弦波的脉宽 控制装置的"Cp"信号输入端分别和0-503环形计数器和联合控制器连接； 0-503环形计数器通过地址信号线A0-A8循环地同正弦波数据存贮器EEPR0M连 接；正弦波数据存贮器再经I03—I08和总控制器连接；联合控制器输出的一路 经脉宽信号控制器和总控制器连接；另一路经二进制译码器经过A9—A11连接 至正弦波数据存贮器，正弦波数据存贮器又通过101—102和微分变换电路进行 信号连接，微分变换电路接至脉宽信号控制器；该脉宽信号控制器再与总控制 器连接。
所述联合控制器由"频率检测"、"脉冲宽度"及"载波比N"联合组成。 所述总控制器包括ASPWM信号调测和光电耦合隔离输出装置构成。 本实用新型的有益效果是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ASPWM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ASPWM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[PWM]技术的完美结合，基频以下工作模式为ASP丽状 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。
图1为SPWM、电压空间式、ASPWM三种导通脉宽对比图。
图2为ASP丽变频器在不同频率、不同载波比N脉冲对比图。
图3为ASP觀变频器组成及控制方案示意图。
图4a为ASPWM变频器双面线路板正面示意图。
图4b为ASP丽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。
具体实施方式
本实用新型提供一种程序正弦波的脉宽控制装置。在图3所示的ASPWM变 频器示意图中，该装置的"Cp"信号输入端分别和0-503环形计数器和联合控 制器连接；0-503环形计数器通过地址信号线A0-A8循环地同正弦波数据存]C 器EEPROM连接；正弦波数据存贮器再经103—108和总控制器连接；联合控制 器输出的一路经脉宽信号控制器和总控制器连接；另一路经二进制译码器经过 A9—A11连接至正弦波数据存贮器，正弦波数据存贮器又通过101—102和微分 变换电路进行信号连接，微分变换电路接至脉宽信号控制器；该脉宽信号控制 器再与总控制器连接。程序正弦波的脉宽控制装置的原理为从"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EEPROM 2817A担任)输入0-503 地址，EEPR0M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 -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" 则根裙"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丽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，ASP麵信号调制由TLP-521A X2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l一6路(如图8所示) ASPWM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) )Xl(f微秒；S断^ (50—F工)+ (50XNXF工)} 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,: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)；所述
Cp端输入的控制脉冲-变频器工作频率M最高载波比N。
载波比N: (1) H=5-11,N=504; (2)H二l卜23， N:252; (3):〗=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} DU536—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=39. 68微秒；在N252时，S=79. 36微秒；在N126时，S =158. 72微秒；在N72时， S二277. 76微秒；在N36时；S二555. 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%，所以昔选了 N=504这组； 所述变频器工作频率是3-300H百倍频程变频；其中包括5H-50H 10倍频程档 和5H-150H30倍频程档，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、变频家电的变频技术要求。
ASP丽"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。本装置共计使用ll块通用小规 模数字集成电路和阻容器件，安装在图4所示的两层双面线路板上。其中频率 检测由74LS123X2、 74LS175构成(如图5所示)，74L123为双可再触发单稳 多谐振荡器；74LS175为4D触发器。图6中NE555、 CD4016构成脉宽信号调制 电路。C- (1-4) R- (H)组成了频率比较器，由频率检测检测"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 模拟开关根据频率比较器(74LS175) 1-4D端的数据适时接通C- (1-4)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-1、 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。
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、即可实现ASP丽变频控制。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丽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。ASPWM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技术远远超过 上述各种变频技术。
权利要求1.一种程序正弦波的脉宽控制装置，其特征在于，所述程序正弦波的脉宽控制装置的“Cp”信号输入端分别和0-503环形计数器和联合控制器连接；0-503环形计数器通过地址信号线A0-A8循环地同正弦波数据存贮器EEPROM连接；正弦波数据存贮器再经IO3-IO8和总控制器连接；联合控制器输出的一路经脉宽信号控制器和总控制器连接；另一路经二进制译码器经过A9-A11连接至正弦波数据存贮器，正弦波数据存贮器又通过IO1-IO2和微分变换电路进行信号连接，微分变换电路接至脉宽信号控制器；该脉宽信号控制器再与总控制器连接。
2. 根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制装置，其特征在于，所述联 合控制器由"频率检测"、"脉冲宽度"及"载波比N"联合组成。
3. 根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制装置，其特征在于，所述总 控制器包括ASP丽信号调测和光电耦合隔离输出装置构成。
4. 根据权利要求1所述程序正弦波的脉宽控制装置，其特征在于，所述 0-503环形计数器为二进制九位式。
专利摘要本实用新型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装置。该装置的“Cp”信号输入端分别和0-503环形计数器和联合控制器连接；0-503环形计数器通过地址信号线A0-A8、正弦波数据存贮器、再经IO3-IO8和总控制器连接；联合控制器输出的一路经脉宽信号控制器和总控制器连接；另一路经二进制译码器经过A9-A11连接至正弦波数据存贮器，又通过IO1-IO2和微分变换电路进行信号连接，微分变换电路接至脉宽信号控制器；该脉宽信号控制器再与总控制器连接。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，本实用新型简单、可靠、成本低，有利于中小功率变频器的推广。
文档编号H02M7/48GK201222698SQ20082010879
公开日2009年4月15日 申请日期2008年6月24日 优先权日2008年6月24日
发明者马庆文 申请人:马庆文