數字PWM是變頻電源的發展方向，本文分析了逆變電源的方波、SPWM和SVPWM三種調制方式的優缺點，設計出一種具有各種調試優點的變頻電源，對某些特殊條件的應用具有一定價值。如對于一些特種電機要求電源具有較小的體積和較輕的重量；電源系統要滿足航空電器沖擊、振動的高可靠性要求；頻繁啟動和關閉，需保證電機都能工作、不死機；低溫環境(-10 ℃以下)工作時，逆變器加大輸出功率達1.5倍左右，即逆變器電壓、電流在低溫下高于額定值，保證電機在低溫時能啟動和工作。針對這些特殊使用要求，研制出特種電機(數字PWM三相變頻電源)，具有較廣泛的使用價值。
1 設計方案
1.1 三相變頻電源系統方案
    數字PWM三相變頻電源系統框圖如圖1所示，主要包括單片機控制系統電壓、電流檢測電路，三相逆變全橋主回路，三相逆變全橋驅動與控制電路。

    單片機控制系統用于數字PWM信號的產生、MOS管驅動芯片的控制和逆變電路電壓電流及其他信號的采集。電壓、電流檢測電路用于閉環控制系統和檢測逆變電路中故障狀態，采集的信號有直流輸入電壓和三相逆變輸出電流。
1.2 主回路與驅動控制電路
    三相數字式逆變電路主回路采用電壓源型三相全橋全控式逆變電路, 電路結構如圖2所示。

    采用IRF7855逆變全橋電路開關管，漏源極電壓為60 V，導通電流可達12 A。MOS管驅動采用IRF2133，PWM輸入和控制端口能夠兼容CMOS和LSTTL兩種電平規范，能夠實現欠壓封鎖、過流關斷以及故障輸出與清除等功能，以便數字化控制。
1.3 三相逆變調制算法原理對比分析
    使用最廣泛的數字式PWM三項逆變電路的控制算法有三相方波逆變、三相SPWM逆變和三相電壓空間矢量SVPWM，它們都具有各自的特點和應用范圍[1-2]。
    (1)三相PWM方波是利用三路與逆變輸出正弦電壓相同頻率、相位角相差120°的方波驅動三相全橋的上橋臂開關管，下橋臂的驅動信號由對應相的上橋臂驅動信號取反得到，從而產生6路三相PWM方波逆變驅動信號，如圖3(a)所示。圖3(b)所示為a、b、c三相對異步電機中點的電壓波形。這種數字式PWM技術具有電壓諧波含量高、輸出電壓不可控等缺點。對于額定的直流輸入電壓，這種PWM技術相比其他能夠輸出有效值更大的三相電壓、直流電壓利用率高，能進一步提高三相異步電機的電磁轉矩，所以使用較廣泛。

    (2)三相SPWM逆變通過載波調制技術得到可以調壓調頻的三相對稱正弦波供電電源。通過三相正弦調制波與三角載波比較，得到與正弦波形等價的PWM波形，如圖4所示。SPWM技術相對三相PWM方波技術在電壓波形上有較大改善，諧波電壓含量相對較低，輸出電壓可以調節，但對于相同的直流輸入電壓，SPWM技術得到的三相電壓有效值和直流電壓的利用率都最低。

    (3)三相電壓空間矢量是借助空間電壓矢量概念發展起來的一種PWM算法，它把三相變流器的指令輸出電壓在復平面上合成為電壓空間矢量，并通過不同的開關矢量組合去逼近指令電壓空間矢量[4]。電壓矢量合成的原則是6個扇區中任意一個扇區中的電壓矢量可以用該扇區2個邊界電壓矢量合成，它們之間的矢量關系如圖5(a)所示。圖5(b)顯示了在I～VI 6個扇區中合成矢量時對應的開關管的開關順序，這種順序保證了一個周期中開關次數最少。對于同樣大小的直流輸入，與傳統的SPWM相比，其開關器件的開關次數減少了1/3，直流電壓的利用率可提高15%，能獲得較好的諧波抑制效果,且易于實現數字化控制，所以SVPWM數字PWM算法在各個方面都優于SPWM技術。

    這三種PWM技術中，三相電壓空間矢量的方法在三相異步電機作為負載時最能體現其優越性，電壓空間矢量控制系統將逆變器和交流電機視為一個整體，通過調節電壓空間矢量從而使異步電機的磁鏈運動軌跡接近一個圓弧[5]。采用前饋式開環系統，利用數字的方法也可產生逆變全橋的驅動信號。閉環控制系統主要通過坐標變換的方式實現，需要進行復雜的三角函數和坐標旋轉運算，計算量大、復雜的算法對高精度實時控制產生了不可忽視的影響。參考文獻[3]使用閉環控制算法，其包含無理數的近似運算、絕對值的運算及坐標旋轉運算等，而普通單片機一般采用專用DSP芯片或者FPGA技術，很難實時完成這些計算量。
    三種調制中，SVPWM調制在各個方面都比SPWM調制優越，且利用前饋式逆變算法更簡單，但SVPWM無法取代PWM方波調制中的直流電壓利用率高這一優點，故該逆變系統可利用PWM方波解決啟動轉矩等問題。啟動完成后變換成SVPWM調制方式，保證了輸出電能質量高、輸出電壓可調。
1.4 三相逆變變頻的控制實現方法
    TI公司MSP430系列的單片機定時器和PWM控制單元在數字式變頻器上具有相對的優勢，它具有專用電機控制DSP處理器TMS320F2812的很多優點。單片機內部自帶的DCO時鐘振蕩器能夠在1~16 MHz的范圍內變化，并且外部可以連接32.768 kHz的低頻振蕩器。內部帶有兩個16位定時器單元TimerA和TimerB，TimerB能夠同時輸出7路PWM調制脈沖，并且定時器的時鐘分頻系數可調，這些有利的條件給變頻帶來了極大的方便。利用該定時器增減技術模式，可以很方便地實現前饋式SVPWM控制算法，并能有效地解決閉環控制上的延時、極限環振蕩等特殊問題。故結合MSP430單片機的時鐘資源與強大的定時器，實現電源逆變的變頻控制。
2 試驗結果分析
    利用TI公司MSP430系列單片機和IRF2133三相全橋驅動控制芯片，設計了數字式PWM三相變頻電源樣機，在低壓軍用特種異步電機水泵額定負載上對三相PWM方波逆變、SVPWM逆變分別進行了實驗，并對三相線電壓、線電流、電諧波進行了試驗。額定直流輸入電壓為28 V，逆變頻率設計為190 Hz，開關頻率約為12 kHz。測試儀器為Fluke 43B型電能質量分析儀，試驗波形如圖6、圖7所示。

    由圖6可以發現，變頻電源三相輸出的線電壓波形為馬鞍型波，通過異步電機感性負載后，輸出的電流波形畸變程度較大，諧波分析顯示，無3次諧波，主要含有5次和9次諧波，含量為20.4%。
    圖6、圖7結果對比顯示，對于相同直流輸入電壓和開關頻率，SVPWM調制算法使異步電機三相繞組中的電流實現了正弦波形最優化，電流諧波含量達到了最低，從而實現了脈動電機脈動的最小化。但這種算法的電壓利用率相對較低，無法實現最大的輸出電壓，在某些場合限制了電機轉矩的進一步提高，但三相PWM方波逆變在電機短時間運行時可以彌補這一缺陷。表1為在同一負載的條件下，分別采用兩種調制方式測試的不同直流輸入電流和功率，數據顯示在同一電壓下PWM的直流輸入功率要遠遠大于SVPWM調制，這也側面反映了PWM調制在電壓利用率上較高，即PWM調制提供的電機轉矩較大。

    在軍用特種異步電機水泵上測試了SVPWM調試技術在不同直流輸入電壓下的負載能力，試驗數據如表2所示。數據表明電流諧波幾乎不受直流側電壓波動的影響，受影響的僅是輸出功率，這說明SVPWM電源輸出的電能質量高，能夠保證電機長時間可靠運行。最后在高溫80℃和低溫-40℃環境中進行頻繁啟動、關閉和電壓開通、關斷沖擊，都未出現電機啟動不了、系統死機等現象，進一步驗證了該款數字PWM三相變頻電源的可靠性。

    通過對三種常用數字PWM技術的分析，本文設計了一款綜合不同數字PWM控制的優點實現于同一逆變系統上三相數字式PWM逆變變頻，其具有以下特點：
    (1)變頻電源體積小、質量輕，輸出功率高。制作出的樣機的體積僅為50 mm×42 mm×20 mm，試驗測試輸出功率可達100 W。
    (2)采用SVPWM算法，使電源輸出電能質量高、電流諧波低，輸出電能質量幾乎不受輸入電壓波動影響。
    (3)數字控制算法靈活、多樣，該電源系統啟動采用了PWM方波調試，啟動后采用SVPWM調制。
    同一主電路綜合各PWM算法優點實現不同的控制算法，可以解決異步電機啟動、調速和長時間可靠工作等要求。今后將結合軟開開關技術，進一步提高變頻電源的電能利用效率。
參考文獻
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