专利名称：脉宽调制信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于交流电机调速传动脉宽调制(PWM)变频调速系统的PWM信号发生器。
目前广泛采用的是一种正弦波脉宽调制法(SPWM)即用等腰三角形的载波和参考正弦波相比较，其交点确定换流点的方法。这种方法，载波和参考正弦波必须同步，且保持为参考波频率的偶数倍，以改善输出波形的谐波含量，此法比较复杂。为了简化控制系统，近几年国内外采取许多新方法，如采用具有饱和幅值三角载波的PWM逆变器，它不需要对载波与参考波进行同步，使控制系统得到简化，但获得PWM模型，仍然采用了SPWM法或梯形波与三角载波相比较的复杂方法。在八十年代前后，英国麦纳德(MULLARD)公司，按SPWM原理研制了大规模集成电路构成的全数字化PWM信号发生器，使用了大约1500个门电路，型号为HEF4752V。之后日本日立公司也研制了专门和微处理机相配合，用于产生PWM信号和实现其它转换、保护、调节功能的大规模集成电路(LSI)，在一片6.0mm×6.1mm的大规模集成块上，有大约9000个金属氧化半导体晶体管。
本发明的目的在于提供一个按照连续移相原理研制成功的新型PWM信号发生器。比用正弦波脉宽调制法原理研制的PWM信号发生器简单得多。
本发明的目的是通过以下方法来达到的。就是按已申请专利“交流电机两重式交交变频调速装置”(申请号86106905)的移相原理，获得对交直交PWM逆变器新的调制方法，并保持输出波形接近正弦。
实践已经证明若电源输入频率为fiHz，移相频率(或控制频率)为fkHz，则输出频率fo以Hz计为fo＝fi－fk，即输出频率fo为电源频率fi和移相频率fk的代数和。连续移相控制，实际上就是两种不同频率fi和fk的方波的逻辑组合。应用这个原理和方法可以很方便地设计出一种由三相方波发生器、三分频环形计数器和逻辑门电路组成的新型PWM信号发生器。由于PWM逆变器的电源电压是直流，因此在控制电路中可以任意选择输入频率fi的频率数值。三相方波即三个互差120°电角的方波，它的频率是平滑可调的，这比正弦波发生器要简单得多，且不需要调节它的幅值。三分频环形计数器是一个典型的电路，它和三相方波发生器由共同的直流电压ug来控制。由电源输入频率fi和控制频率fk两种不同频率的方波组成的逻辑门电路，经典型的大功率晶体管的基极驱动电路，即可实现PWM变频。当单项输出时可采用一对晶体管的主回路，当三相输出时可采用通用的桥式逆变器电路。
本发明比现有技术有以下优点1、调制电路比目前已知的各种方法都简单得多，若采用大规模集成电路设计这种PWM信号发生器，只需大约100个门电路或500个晶体管即可实现，因而生产成本仅占国外的20～30％；2、同一种比SPWM法谐波幅值更低的梯形波调制法比较，本发明的各次谐波含量都较低，且连续移相法所取NP＝48，而梯形波调制法所取NP＝8.3(见美国电气与电子工程师学会期刊杂誌工业应用卷，21期第5号，1985年1193页，原文IEEE、Trans.voI IA－21 NO·5 sepf／ocf·1985)因Np越大，谐波必然越小，所以连续移相法具有明显的优越性。3、只要给定任一输出频率fo和输出电压波每半周的脉冲数Np，则控制频率fk和输出频率fi均可由简单公式算出；而且输出频率fo与控制频率fk，输入频率fi都是线性关系，从而使控制电路更简化。
以下将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为脉宽调制(PWM)信号发生器的框图图中1是三相方波发生器；2是三分频环形计数器；3是逻辑门电路；4是功率晶体管基极驱动电路；5是主回路；ug是直流控制电压；H1、H2、H3是环形计数器输出的三个方波；A＋、B＋、C＋和A－、B－、C－为三相方波；y＋、y－是逻辑门电路输出方波；T1、T2是晶体管。图2、是脉宽调制(PWM)信号发生器的波形。
图中符号fo－输出频率；NP－输出电压每半周的脉冲数；fk－移相频率或称控制频率；Wk－控制方波宽；fi－输出频率；Wi－输出方波宽。
图3、是脉冲数NP为15时有关部分波形图中符号u、V、W——输出电压相；图中其它符号同前。
图4、是获得单极性的脉冲例图5、为6相6脉冲PWM控制图图6、为各种输出频率时，保持NP不变，fo、fk、fi的线性关系图7、为输出电压每半周的脉冲数NP参照图1、一个频率为fi可平滑调节的三相方波发生器1，产生三个互差120°电角的方波，且不需调它的幅值。一个三分频环形计数器2，是个典型电路。1和2由共同的直流电压ug来控制。一个简单的逻辑门电路3，是PWM波的脉冲形成环节，其中环形计数器输出的三个方波H1、H2、H3(它们的宽度都等于Wk)分别同三相方波A＋、B＋、C＋和A－、B－、C－相与(三相方波的宽度都等于Wi)，这个电路实际上是一个与或门，只要其中任意一个与门的两个输入端为1，即可在输出端y＋或y－获得高电位的输出。大功率晶体管的基极驱动电路4、是通用的典型电路。主回路5，它是单相输出的一对晶体管。若三相输出时，主回路5可采用通用的桥式逆变器电路。
参照图2，假定输出频率fo＝50Hz，输出电压每半周的脉冲数Np＝6，则根据移相原理导出的公式fk＝ 2/3 fo×NP可得控制频率fk＝200Hz，控制方波宽Wk＝30°，输入频率fi＝150Hz，输出方波宽Wi＝60°，按此结果可以获得各有关部分的波形。第1栏的输入频率fi为150Hz，相对应的方波宽Wi为60°，其中A＋、B＋、C＋为正半波、A－、B－、C－为负波，A、B、C之间均相差40°电角(如按150Hz每半周宽为180°，则A、B、C相差120°)采用A、B、C来表示三相输入方波的原因是仍然与三相交流电压的习惯用法一致。图中第2栏为控制频率fk＝200Hz，相对应的控制方波宽Wk＝30°，分别以H1、H2、H3表示，它实际上是一个三分频环形计数器的输出方波。图中第3栏为H1、H2、H3，分别同A＋、B＋、C＋经与门后的输出方波，即H1同A＋相与，H2同B＋相与，H3同C＋相与，然后经或门输出，其输出方波示于图中的第3栏。这个输出方波实际上就是图1中3的输出端y＋。同样，H1同A－相与，H2同B－相与，H3同C－相与，然后经或门输出的方波，即为图1中3的输出端y－，也就是图中第4栏所示的输出波形。这两个输出方波y＋和y－经隔离功放后，即分别驱动两只大功率晶体管的基极，于是在图1中主回路5的负载L两端便出现PWM的电压波形，如图中第5栏所示。从这个输出电压波可以看出，输出电压从中性点至波峰正好是90°(π／2)。图2是一个简单例子，用以说明其工作原理。
参照图3，为获得实用的输出波形，输出电压每半周的脉冲数Np应尽可能大一些。设所需fo＝16.7Hz，NP＝15，则fk＝166.7Hz，Wk＝36°，fi＝150Hz，Wi＝60°。将上述数值绘出波形，图中第1栏分别绘出三相方波A、B、C，其宽度均为Wi＝60°。图中第2栏为三分频环形计数器的输出方波H1、H2、H3，其宽度Wk均为36°。图中第3栏为u相输出电压波形。图中第4.5两栏分别为V和W两相的输出电压波形。这后两相电压是按第3栏u相同原理获得的，仅仅只需将环形计数器的输出方波H1、H2、H3，由原来分别相与的A、B、C，改为B、C、A(获得V相输出电压)，或改为C、A、B(获得W相输出电压)。由图解分析可知，输出三相电压波相互之间正好差120°电角。由于是以50Hz的电角计，故当fo＝16.7Hz时，在图3中量出的电角度正好大了3倍(360°)。实际上NP还应再大一些，但图解分析在绘制上比较烦琐，又因为按移相原理已能准确地推导出在各种不同输出频率fo和输出电压每半周脉冲数NP以及与之相对应的fk、Wk、fi、Wi的数值，在此不赘述。
当m＝3，NP＝15，fo＝16.7Hz时，其输出电压各次谐波含量列于表1。
参照图4，本图是获得单极性的脉冲例，这仅需要将前面列举的三相脉冲控制方式中的输入方波Wi，经过适当延时即可。例如，设fo＝50Hz，NP＝9，则fk＝300Hz，Wk＝20°，fi＝250Hz，Wi＝36°。现在将Wi＝36°经过延时，去掉方波前沿12°，即假定延去部分为Wy，则Wy＝12°，图解分析见本图。从图中可以明显地看出，Wi经延时后，输出的波形就成为单极性了。且u、V、W三相输出电压正好相差120°电角。
参照图5，本图说明6相6脉冲也可以实PWM控制。当m＝6时，设fo＝25Hz，Np＝48，则fk＝400Hz，Wk＝7.5°，fi＝375Hz，Wi＝24°。按上述数值绘出PWM信号发生器各有关部分的波形示于图5。图中第1栏为输入方波，其频率fi＝375Hz，方波宽Wi＝24°，分别以A＋、A－、B＋、B－、C＋、C－表示，这些方波的电角关系相当于一个六相方波电压，其相序为A＋、C－、B＋、A－、C＋，所有方波宽Wi都是24°(以50Hz的电角度计)。故当方波A＋从0°开始时，C－就从8°开始，B＋从16°开始，以此类推，即按相序每隔8°一个方波。由于每个方波有适当的延时，所以在图中已表示出三种不同的延时，若延时部分的宽度为Wy，则图中列举了三种不同的延时，即wy＝5°，Wy＝8°，Wy＝10°。图中第二栏为六分频环形计数器的输出方波，分别以H1、H2、H3、H4、H5、H6表示。这些方波的重复频率fk＝400Hz，宽Wk＝7.5°，其中H1总是只同A＋或A－相与，同A＋相与时，输出的方波经隔离功放后，即作为驱动正端晶体管T1基极的脉冲，反之，H1同A－相与时，输出的方波经隔离功放后，即作为驱动负端晶体管T4基极的脉冲。同样，H2同C－相与时，输出的方波经隔离功放后，即作为驱动正端晶体管T1基极的脉冲，H2同C＋相与，输出的方波经隔离功放后，即作为驱动负端晶体管T4基极的脉冲，如此类推。图中第三栏为PWM信号发生器输出方波，经隔离功放后，分别驱动晶体管T1和T4时的主电路输出电压波形。输出频率fo＝25Hz，NP＝48，其中Wy＝5°，表示第1栏所有的方波均延时5°。图中第4和第5栏，分别为延时Wy＝8°和Wy＝10°的输出电压波形。从这些波形可以看出，不同的延时可以起到调压的作用，即延时越大，输出电压越低，且不同延时后的电压波形，每1／4周波都是对称的。
当m＝6，NP＝48，fo＝25Hz时其输出电压各次谐波含量列于表2。表中的比值 (WQ)/(Wd) 即为调制系数，其中WQ＝Wi－Wy。从表中可知，当调制系数越接近1时，各次谐波含量就越小，但即使在调压时需要减少这个系数，各次谐波含量只稍增加。
表2
参照图6，说明在输出各种频率时，保持NP不变，则fo与fk、fi为线性关系。此时无论输出频率为任意数值，NP均为整数不变，这就使得输出电压的谐波含量降低。图中左边两根直线表示m＝6，NP＝48时，fo和fk、fi的关系。图中右边两根直线表示，m＝3，NP＝48时，fo和fk、fi的关系。
参照图7，说明输出电压每半周的脉冲数NP，在实际上应当随输出频率而变化。在图中列出了输出频率fo从1Hz至50Hz变化时，NP从1200至24变化的关系曲线。图中m＝3，虚线表示fi的线性变化，相对应的fk由实线表示。
权利要求1.一个由三相方波发生器1三分环形计数器2和逻辑门电路3组成的脉宽调制(PWM)信号发生器，其特征是由输入频率fk和控制频率fk两种不同频率的方波组成的逻辑门电路3。
2.按权利要求1所述脉宽调制信号发生器，其特征是由于逆变器的电源是直流，故在控制电路中可任意选择输入频频fi的数值。
3.按权利要求1、2所述脉宽调制信号发生器，其特征是由输入频率fi所确定的三相方波发生器1为三组互差120°电角的方波，每组方波的正半波和负半波是分开的，且其前沿是可调的。
4.按权利要求1、2所述脉宽调制信号发生器，其特征是三分频环形计数器2的输出方波频率fk与三相方波1的频率fi两种方波不同频率的变化是线性的。
专利摘要脉宽调制(PWM)信号发生器，属于交流电机传动PWM变频调速系统。目前国外普遍采用正弦波脉宽调制(SPWM)法，按此法研制的大规模集成电路PWM信号发生器。采用大约500门电路(英国)或9000个晶体管(日本)。本实用新型按移相原理研制而成。只约需100门电路或500个晶体管即可，成本只占国外成本的20～30％。输出频率可从0～300Hz。由本发明为主要部分组成的PWM变频器，输出功率可以从0.1KW(单相)至兆瓦级(三相)。
文档编号H02M1/08GK2041867SQ8821500
公开日1989年7月26日 申请日期1988年10月12日 优先权日1988年10月12日
发明者王兴亚 申请人:冶金工业部重庆钢铁设计研究院