专利名称：四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法
技术领域：
本发明涉及一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，属于逆变器的脉宽调
制领域。
背景技术：
1964年德国学者A. Scho皿ng和H. stemmler首次提出把P丽技术应用于交流传动 中，为交流传动的推广应用开辟了新的局面。P丽控制技术以其控制简单、灵活和动态响应 好等优点成为了电力电子技术中最广泛应用的控制方式。 脉宽调制技术一般通过三角载波与调制函数波进行比较，得到脉冲宽度随调制函 数值变化的脉冲序列。对于三相交流负载，通常采用三相全桥式六开关逆变器拓扑，如图1 所示，配以三相对称的SP丽调制即可实现逆变器的三相正弦基波电压输出。为了提高母线 电压利用率，出现了注入三次谐波SP丽调制和SVP丽调制等策略，如今SVP丽调制已成为 六开关三相逆变器最主要的控制方式。六开关三相逆变器采用6个功率开关管和6个反并 联功率二极管组成全桥拓扑，当其某一桥臂上功率管发生故障时，要采取一定措施构建四 开关逆变器拓扑，同时在低成本应用场合，四开关逆变器因节省2个功率开关管和2个功率 二极管而得到重视。 中国专利《一 种三相逆变拓扑电路》，公开号为CN101179231A，
公开日为 2008. 5. 14，公布了四开关三相逆变器的拓扑结构和其应用场合，拓扑由四个开关元件和两 个直流电源组成，四个开关元件两两串联构成两条支路，两直流电源串联构成第三支路，这 三条支路相并联，从这三条支路的串联中点引出输出端，作为逆变器的交流输出端。由于四 开关三相逆变器包含四个功率开关管，具有四组开关模型，能够形成四个开关电压矢量，电 压矢量空间分布图如图3所示，其中，U。(00)、仏(01)、仏(10)、U3(11)分别表示在a、 |3坐 标系下两桥臂的四个开关矢量，通过U。和Ue两个分量形成旋转矢量U。。由于四个开关矢 量长度不等，这使得四开关逆变器较六开关逆变器的控制自由度降低，控制难度加大。目前 对四开关三相逆变器仍然采用SVP丽调制思想进行控制，控制方法复杂，同时对实施电路 的硬、软件要求较高，在低成本应用中受到了制约。
发明内容
本发明的目的是提供一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，它解决了现 有四开关三相逆变器控制方法复杂的问题。 本发明基于正弦波发生器、三角波发生器、P丽调制器和隔离和驱动电路实现，
将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器中，由正弦波发生器产生两路相位 相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器产生的高频三角载波信号在P丽调制器中 进行调制，生成四路P丽脉冲信号，所述P丽脉冲信号经过隔离和驱动电路后对所述四开关 三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。
本发明的优点是
本发明采用两相SP丽等效实现四开关三相逆变器的SVP丽调制方法，实现了四开 关三相逆变器的简化和高性能控制。它根据P丽调制的原理，采用简单的SP丽调制来等效 四开关SVP丽调制，从而简化算法，并且实现电路简单，降低实现成本。
图1为六开关三相逆变器拓扑结构图；图2为四开关三相逆变器拓扑结构图；图3 为已有的四开关三相逆变器SVP丽调制方法图；图4为本发明调制方法的信号走向示意图5为P丽调制的规则采样法原理图，图中曲线A为三角载波，曲线B为调制正弦波，T为 载波周期，Ton为导通时间；图6为本发明方法输出的P丽序列波形图，图中C为调制正弦 波，D为三角载波，E为P丽序列；图7为本发明方法的DSP软件实现程序流程；图8为采用 DSP实现本发明P丽调制的输出波形图，图中T1CNT为DSP中装载到通用定时器Tl中的计 数寄存器的值，T1PR为DSP中装载到通用定时器Tl中的周期寄存器的值。
具体实施例方式
具体实施方式
一 下面结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式基于正弦波发 生器1、三角波发生器2、 P丽调制器3和隔离和驱动电路4实现， 将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器1中，由正弦波发生器1产生两路 相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器2产生的高频三角载波信号在P丽调 制器3中进行调制，生成四路P丽脉冲信号，所述P丽脉冲信号经过隔离和驱动电路4后对 所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。 本实施方式中由正弦波发生器1产生的两路正弦波调制函数的相位超前还是滞 后由设定的调制正弦波参数的方向信号决定，最后在所述四开关三相逆变器的a、b、c输出 端得到高频电压脉冲序列，其基波为三相正弦对称的电压值。
具体实施方式
二 下面结合图4图8说明本实施方式，本实施方式与实施方式一 的不同之处在于所述设定的欲调制正弦波参数为幅值Um、角频率"、初始相位e。和方向 dir，正弦波发生器1产生的两路正弦波调制函数为 |'."rl《)《—rf"。)
其它组成及连接关系与实施方式一相同。
等效调制函数
根据P丽的规则采样法，如图5，可以求解出四开关三相SVP丽调制的等效调制函
数，形式为
其中，Ubr(t)和U。r(t)为图4中四开关三相逆变器的b、C两相(即功率管桥臂构成
_ u
的两相)的等效调制函数，="^为调制比，u。为四开关三相逆变器输出电压矢量的幅
值，Vdc为直流母线电压值；式中^m:L^，由此可以看出，四开关三相逆变器输出的三相
4正弦对称基波电压幅值在直流母线电压值一定的情况下由初始幅值给定Um决定，角频率和 初始相位分别由"和e。决定，相序由方向给定dir决定，改变调制比m和角频率"可以 分别控制逆变器输出电压的基波幅值和频率，实现变压变频的目的。本发明方法中四开关 三相逆变器由四个IGBT功率管、四个功率二极管及两个电容组成，四个IGBT和四个功率二 极管构成H桥拓扑提供两相输出，两串联电容与其并联跨接在母线之间，两个电容中点引 出作为第三相输出。通过控制功率开关管的导通与闭合使逆变器输出三相正弦基波电压。
本发明方法的具体实现方案
—、 CPLD+D/A+比较器数模混合实现 CPLD用于产生本发明方法中的两路正弦波和三角波数字量，经D/A转换器转换为 模拟量，再通过比较器调制出P丽脉冲序列，经硬件电路加入驱动信号死区后，控制四开关 逆变器功率管通断。 二、单片机、DSP或FPGA数字实现 在单片机、DSP或FPGA中，正弦波发生器1、三角波发生器2和P丽调制器3的功 能均能采用编程方式通过软件程序实现。 下面介绍采用TI公司的TMS320LF2407 DSP通过软件方法实现四开关三相逆变器 P丽调制的过程。在LF2407 DSP中有两个事件管理器EVA和EVB，每个EV模块包括两个通 用定时器、三个比较单元、一个可编程的死区发生单元和输出逻辑控制单元，可以方便地产 生六路P丽脉冲信号。第一个通用定时器(EVA模块)或第三个通用定时器(EVB模块)可 用于产生锯齿波或不对称三角波，通过在比较单元中与比较寄存器值CMPR相比较，经死区 单元及输出逻辑后，每路比较输出可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区及 输出极性的P丽输出，当定时器设置为连续增/减计数模式时，将产生对称P丽波形。
DSP实现四开关P丽调制的程序流程如图7所示，P丽调制任务在定时器Tl周期 中断服务程序完成。上电后，首先进行系统初始化，再在EVA初始化中对事件管理器进行设 置，具体为 A、设置MCRA(I/0复用控制寄存器)，把DSP的引脚I0PA6、I0PA7、IOPBO、I0PB1配 置为基本功能方式PWM1到P丽4 ; B、设置ACTRA(比较方式控制寄存器)，配置P丽l至lj P丽4的输出有效电平；
C、设置DBTCONA(死区控制寄存器)，使能死区并配置死区定时器的周期；
D、初始化CMPR1和CMPR2全比较寄存器； E、根据P丽的周期(载波周期)设置定时器的周期寄存器T1PR ;
F、设置COMNCONA比较寄存器，使能比较操作； G、设置T1C0N定时器1控制寄存器，使定时器1处于连续增/减计数模式，并启动 计数。 在定时器T1周期中断里，完成调制波查表、比较周期值计算等以调制出P丽波，具 体为根据给定查表求取两路正弦调制波(相位相差6(T )对应的正弦值，根据调制波正 弦值算出每路P丽脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器 的值，然后将其送到比较寄存器，这样DSP硬件就根据配置好的寄存器值自动产生给定占 空比的P丽波。设置P丽输出口为高有效时，DSP P丽口的输出波形如图8所示，T1定时器 值T1CNT为三角载波，CMPR1和CMPR2为该调制周期内比较寄存器设定值，死区大小通过死
5区控制寄存器DBTC0NA中计数器周期值设置,
权利要求
一种四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，它基于正弦波发生器(1)、三角波发生器(2)、PWM调制器(3)和隔离和驱动电路(4)实现，其特征在于将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器(1)中，由正弦波发生器(1)产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器(2)产生的高频三角载波信号在PWM调制器(3)中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路(4)后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。
2. 根据权利要求1所述的四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，其特征在于所 述设定的欲调制正弦波参数为幅值Um、角频率"、初始相位9 0和方向dir，正弦波发生 器(1)产生的两路正弦波调制函数为 <formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
四开关三相逆变器的正弦波脉宽调制方法，属于逆变器的脉宽调制领域。它解决了现有四开关三相逆变器控制方法复杂的问题。它基于正弦波发生器、三角波发生器、PWM调制器和隔离和驱动电路实现，将设定的调制正弦波参数输入到正弦波发生器中，由正弦波发生器产生两路相位相差60°的正弦波调制函数，并与三角波发生器产生的高频三角载波信号在PWM调制器中进行调制，生成四路PWM脉冲信号，所述PWM脉冲信号经过隔离和驱动电路后对所述四开关三相逆变器中功率开关管的导通与闭合进行控制。本发明用于四开关三相逆变器中功率开关管的控制。
文档编号H02M7/538GK101789709SQ20101030024
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月13日 优先权日2010年1月13日
发明者吴凤江, 孙力, 孙立志, 安群涛, 赵克 申请人:哈尔滨工业大学