一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法
2023-07-31 08:56:46
專利名稱：一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法
技術領域：
本發明涉及一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法，屬於電力系統控制中的電力電子技術領域。
背景技術：
正弦電壓脈寬調製波是一種具有確定幅值但脈寬變化的矩形脈衝信號，該信號中包含一個主要的正弦電壓基波分量。正弦電壓脈寬調製波廣泛應用於電力系統的逆變裝置中，在這種信號控制下通過電力電子器件的導通和關斷可以實現電能從直流到交流的轉換。參考國際標準號碼為7111056175的《電力電子技術》一書，產生正弦電壓脈寬調製波的基本方法是比較調製波和參考波的幅值，並依據大小結果輸出高低電平，從而獲得正弦電壓脈寬調製波。在上述方法中，調製波一般採用三角波信號，而參考波可以採用正弦波或者梯形波等形式的信號。調製波和參考波由各自的波形發生部分產生，波形發生的頻率和幅值都可調。正弦電壓脈寬調製波的基波分量的頻率F是等於參考波的頻率的，所以調節參考波發生頻率就可以控制基波頻率。調製波的發生頻率可以是固定的，也可以是可調的，但是調製波頻率和參考波頻率之比是正弦電壓脈寬調製的一個重要參數，這個參數通常被稱作載波比P。載波比P以及調製波和參考波之間的波形關係將影響輸出的脈寬調製波的高次諧波特性。另一方面，如果調製波和參考波的幅值可調，這樣就可以改變參考波幅值與調製波幅值之比M，這個比值M稱作調製比。當M＜1時，正弦電壓脈寬調製波的基波正弦分量V與調製比M成正比。此外，電機調速應用中廣泛採用了V/F比恆定控制，即要求正弦電壓脈寬調製波的基波分量V與基波頻率F成正比調節。由此分析可知，只要依據基波頻率F正比例調節調製比M即可實現V/F比恆定控制。參考文獻中也給出了利用單片機、DSP、CPU等微處理晶片產生正弦電壓脈寬調製波的軟體實現方法。該方法依據前述的調製波和參考波比較方法的基本原理，通過自然採樣或者規則採樣或者直接脈寬調製等近似方式，推導出脈衝寬度的計算公式，軟體實現方法就是通過這些公式的計算獲得正弦電壓脈寬調製波的脈衝寬度數據序列，並依據這組數據控制脈衝輸出電平的保持時間，從而得到脈寬調製波形。
上述正弦電壓脈寬調製波的產生方法存在一些不足。首先，這些方法無法獲知所發脈衝對應於基波的相位角度，也就不能夠直接基於相位角度產生出脈寬調製波。這些方法當動態調節基波頻率F、調製比M和載波比P等參數時會破壞一個基波周期正弦電壓脈寬調製波的完整性，增加諧波含量，而如果完全基於相位產生脈衝就可以避免這種情況。再者，由於上述方法產生的信號和數據不包含相位角度信息，所以也不容易實現相位同步控制下的脈衝發生。
上述方法的模擬電路設計實現比較複雜，而且往往不能滿足多種性能兼顧的控制要求。這些控制要求包括載波比P依據基波頻率F的自適應調整、調製波波形對應於參考波的對稱性控制、調製比M的調節和V/F比恆定控制等。而且模擬實現方式在操作控制上比較麻煩，直觀性差，系統容易受到溫度和噪聲幹擾，精度和穩定性低。為此，希望採用數字方式產生正弦電壓脈寬調製波形。然而，如果採用軟體方式實現脈寬調製數據的計算產生，由於脈衝發生需要不斷依據基波頻率F、調製比M和載波比P等變化參數計算出脈寬數據，才能保證為脈衝發生部分連續地提供脈寬數據序列，程序算法和執行工作量都很大，並且如果脈衝輸出路數增多，計算量將成倍增長。另一方面，一個控制系統的軟體設計中還會包含其它的控制算法，這樣軟體編程就必須考慮如何避免程序執行的衝突，以及如何避免出現操作延誤和數據缺失。事實上，採用軟體設計實現正弦電壓脈寬調製波的產生也是很複雜的，而且如果設計時結構層次不夠清晰，程序優先級安排不當，就會產生錯誤的波形，降低可靠性。
發明內容
本發明的目的在於提出一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法，該方法產生的脈寬調製波形數據不僅能夠反映脈衝電平變化，而且能夠給出對應脈衝電平變化的基波相位角度，基於這些數據並再配合相應的脈衝發生方法，即可產生正弦電壓脈寬調製波信號；基於該方法能夠實現載波比P依據基波頻率F的自適應調整，實現調製波波形對應於參考波的對稱性控制，實現調製比M的調節和V/F比恆定控制；基於該方法能夠採用計數、加法、比較邏輯和存儲等簡單的數字邏輯方式實現，從而能夠提供數位化的調控手段。
本發明提出的基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法，包括以下步驟1、採用固定頻率為Fclk的時鐘信號clk對前端頻率合成部分產生的方波脈衝信號sig進行測頻，得到測頻參數NF，或者利用公式NF=FclkKF]]>，得到NF，再依據由正弦電壓脈寬調製波基波分量的頻率F的控制範圍以及由調製比M設置的可控參數X，求出乘積X×NF，上述sig的頻率是基波頻率F的K倍，K＝(0.01～10)×Ns，Ns為每個正弦電壓脈寬調製波基波周期中選定的相位採樣點數，時鐘信號clk的頻率Fclk滿足Fclk＞K×F，F為基波頻率F的控制上限。
2、依據參數NF或者基波頻率F選擇調製波波形參數和等幅比參數ER，其中的調製波波形參數包括周波基本點數PL、周波點數調整碼RCODE和周波點數調整碼的長度RCLEN。
3、依據由調製比M設定的可控參數Y，按照公式GX＝Y×ER，計算出調製波變化量GX，或者依據上述第1步得到的數據X×NF，按照公式GX＝2-k×X×NF×ER，計算出調製波變化量GX，其中k為由GX的輸出範圍設定的數據位數調整參數。
4、在計算時鐘脈衝信號控制下，依據上述第2步得到的波形參數PL、RCLEN和RCODE以及上述第3步得到的調製波變化量GX，按照調製波幅值增減運算方法計算得到調製波波形數據CD。運算過程如下①依據調整碼長度RCLEN，對調整位計數脈衝從0到RCLEN-1循環計數，得到調整位數RN。
②依據調整位數RN選擇調整碼RCODE中第RN位的數據作為調整信號輸出。
③依據周波基本點數PL，當調整信號無效時，選擇周波點數L＝PL；當調整信號有效時，選擇周波點數L＝PL+1。
④依據周波點數L，對計算時鐘脈衝信號進行分段計數和判斷，輸出具有『增』、『減』、『保持』和『復位』四種狀態的一組增減控制信號和一個調整位計數脈衝信號。
⑤在計算時鐘脈衝信號控制下，依據上述的增減控制信號和調製波變化量GX對調製波幅值進行增減計算，得到調製波波形數據CD。
5、對計算時鐘脈衝信號進行脈衝計數，得到相位計數值PH。
6、由各路正弦電壓脈寬調製波之間的相位關係，設定各相的參考波相位參數，然後依據該參數以及上述相位計數值PH，從參考波波形存儲空間中讀取各相的參考波波形數據RD1～RDi，其中的i為需要輸出的正弦電壓脈寬調製波的相數。
7、對上述第4步得到的調製波波形數據CD與上述第6步得到的各相參考波數據RD1～RDi依次作比較，比較大小被二進位編碼，並將各相的二進位編碼值組合為脈衝電平數據PB。
8、由脈衝電平數據PB和上述第5步得到的相位計數值PH組合，成為脈寬調製波形數據，並最終輸出有效的脈寬調製波形數據，每次處理完一個相位點的脈寬調製波形數據後，輸出一個計算時鐘脈衝信號，該計算時鐘脈衝信號用以在上述第4步中控制調製波波形數據CD的運算，以及用以在上述第5步中對其進行脈衝計數產生相位計數值PH。
本發明提出的基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法，輸出的脈寬調製波形數據不僅能夠反映脈衝電平變化，而且能夠給出對應脈衝電平變化的基波相位角度，基於這些數據並再配合相應的脈衝發生方法，即可產生正弦電壓脈寬調製波信號，從而容易實現相位同步控制下的正弦電壓脈寬調製波發生。本發明方法能夠實現載波比P依據基波頻率F的自適應調整，能夠實現調製波波形對應於參考波的對稱性控制，還能夠實現調製比M的調節和V/F比恆定控制，所以本發明方法控制功能完備，依據本發明獲得數據所產生的正弦電壓脈寬調製波在諧波和各相對稱性上具有良好的性能。本發明方法能夠採用計數、加法、比較邏輯和存儲等簡單的數字邏輯方式實現，從而能夠提供數位化的調控手段，控制起來直觀簡便。
圖1是本發明基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法的原理框圖。
圖2是本發明調製波波形數據發生部分中的調製波幅值增減運算方法的原理框圖。
圖3是L＝8、9、10和11時，本發明調製波幅值增減運算方法產生的一個調製周波的離散波形。
圖4是本發明實施例的調製波波形參數表。
具體實施例方式圖1給出了本發明基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法的原理框圖，進一步結合該原理框圖對本發明方法的各個步驟詳細說明如下1、輸入測頻部分的信號sig是一個頻率為正弦電壓脈寬調製波基波分量的頻率F的K倍的方波脈衝信號，基波頻率F的控制上限是F，而倍頻數K一般可以取K＝(0.01～10)×Ns，這裡的NS是每個正弦電壓脈寬調製波基波周期中的相位採樣點數，或者說NS是每個基波周期中脈寬調製波數據計算判斷的數目，NS為正整數，而且NS越大脈衝數據精度越高。測頻部分中有一個固定的時鐘信號clk，其頻率為Fclk，並且應該滿足Fclk＞K×F。測頻部分統計在一個sig信號周期中時鐘信號clk的脈衝計數個數，並將這個計數值作為輸出參數NF。進一步依據由基波頻率F控制範圍以及調製比M設置的可控參數X，計數X個sig信號周期中時鐘信號clk1的脈衝個數，於是這個計數值就是輸出參數X×NF。由此獲得的NF和X×NF的方法等效於下面的計算公式NF=FclkKF;]]>XNF=XFclkKF.]]>如果直接將基波頻率F數值輸入本系統，也可以按照上述公式採用計算方法獲得參數NF和X×NF。
2、依據參數NF或者基波頻率F選擇調製波波形參數和等幅比參數ER，調製波波形參數是包括周波基本點數PL、周波點數調整碼RCODE、周波點數調整碼長度RCLEN的一組數據。其中周波基本點數PL是調製波的載波比P除相位採樣點數NS的整數商，而載波比P應該選擇滿足5＜P＜0.1×NS的整數。周波點數調整碼RCODE是一個二進位的數據序列，其數據位長度就是RCLEN，RCLEN取滿足RCLEN≤P的正整數值。ER是等幅比參數，取ER＝q×P，其中0≤q≤1。PL、RCLEN和RCODE將一起作為調製波的波形參數送入調製波波形數據發生部分；而等幅比參數ER將送入調製波變化量計算部分。
3、調製波變化量計算部分有兩種可選的工作方式直接控制方式和V/F比恆定方式。在直接控制方式下，由調製比M設定的可控參數Y和來自調製波波形參數部分的等幅比參數ER的乘積，將作為調製波變化量GX，即GX＝Y×ER；
在V/F比恆定方式下，調製波變化量GX依據第1步得到的數據X×NF和等幅比參數ER按照下面公式進行計算GX＝2-k×X×NF×ER其中參數k是一個由GX的輸出數值範圍決定的數據位數調整參數，k是整數。
4、調整波波形數據發生部分在計算時鐘脈衝信號控制下，周波基本點數PL、調整碼RCODE、調整碼長度RCLEN和調製波變化量GX採用調製波幅值增減運算方法得到調製波波形數據CD，圖2進一步給出了該方法具體的原理結構。
如圖2所示，調整位計數部分對分段計數和判斷部分輸出的調整位計數脈衝進行計數，在調整碼長度RCLEN控制下，當計數值RN從0計數遞增到RCLEN-1後，又重新從0開始循環計數。計數值RN輸入調整位選擇部分，選取調整碼RCODE的第RN位數據，調整位選擇部分依照這個數據輸出一個調整信號。在這個調整信號控制下，周波點數選擇部分將依據參數PL選擇周波點數L。當調整信號無效時，選擇周波點數L＝PL；當調整信號有效時，選擇周波點數L＝PL+1。
然後，分段計數和判斷部分通過對計算時鐘脈衝進行計數，並判斷當前計算的相位點在由L個離散點組成的調製波一個周波中的分段位置，從而決定具有『增』、『減』、『保持』和『復位』四種狀態的一組增減控制信號的輸出，並產生一個調整位計數脈衝信號。具體的分段計數和判斷方法為a)讀入參數L，並將L按二進位分為低兩位LL和其餘的高位LH兩部分；b)計第1個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『復位』；c)然後計LH個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『增』；d)如果LL等於2或3，計1個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『保持』；否則，跳過本步驟；e)再計LH個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『減』；f)如果LL等於1或3，計1個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『保持』；否則，跳過本步驟；g)再計LH個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『減』；h)如果LL等於2或3，計1個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『保持』；否則，跳過本步驟；i)最後計LH-1個計算時鐘脈衝，增減控制信號輸出狀態為『增』j)在前述的第i步中，當計到最後第LH-1個脈衝時，發出一個有效的調整位計數脈衝，並返回第a步重新開始新的一輪分段計數和判斷。
上述這個分段計數和判斷方法等效於按照L被4除的餘數情況產生一個周波L點的調製波離散波形上各點所對應的增減控制信號的輸出狀態，下面給出一個等價的描述(1)若L是4的整數倍，則對應調製波形的第1點，增減控制信號為『復位』；第 點，增減控制信號為『增』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『增』；(2)若L被4除餘1，則對應調製波形第1點，增減控制信號為『復位』；第 點，增減控制信號為『增』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『增』；(3)若L被4除餘2，則對應調製波形第1點，增減控制信號為『復位』；第 點，增減控制信號為『增』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『增』；(4)若L被4除餘3，則對應調製波形第1點，增減控制信號為『復位』；第 點，增減控制信號為『增』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『減』；第 點，增減控制信號為『保持』；第 點，增減控制信號為『增』。
而每計數到調製波一個周波的最後一點時，產生一個調整位計數脈衝給調整位計數部分，用以調整下一個調製波周波的離散點數。
最後在計算時鐘脈衝信號控制下，調製波幅值增減部分依據輸入的增減控制信號和調製波變化量參數GX計算出調製波波形數據CD。在每個計算時鐘脈衝到來時，調製波波形的計算規則為當增減控制信號為『復位』時，調製波幅值CD被設置為0；當增減控制信號為『保持』時，調製波幅值CD保持不變；當增減控制信號為『增』時，調製波幅值CD遞增GX；當增減控制信號為『減』時，調製波幅值CD遞減GX。最後，調製波波形數據發生部分得到調製波波形數據CD將輸入到數據比較部分，如圖1中所示。
5、相位角度計數部分對計算時鐘脈衝進行計數，得到相位計數值PH，計數範圍從0到NS-1，這裡的NS是每個基波周期中的相位採樣點數。當脈寬調製波形數據發生部分每完成一個相位採樣點的脈寬調製波形數據的計算、判斷和存儲後，就向相位角度計數部分發出一個計算時鐘脈衝，於是相位計數值PH增1；當PH增到NS-1，並在脈寬調製波形數據發生部分完成一個基波周期最後一點脈寬調製波形數據的處理後，相位計數值PH復位為0。
6、由各路正弦電壓脈寬調製波之間的相位關係，設定各相的參考波相位參數，將這些參數分別與當前的相位計數值PH求和，結果作為該相當前的參考波相位，然後從對應地址的參考波波形存儲空間中讀出各相的參考波波形數據RD1～RDi，其中i是不同相位關係的參考波波形的相數，i是個固定的正整數。在參考波波形存儲空間中存放著參考波的採樣波形數據，而且每個採樣點的參考波波形數據所對應的相位角度和該數據的存儲地址成線性對應關係。
7、數據比較部分分別將各相的參考波波形數據RD1～RDi同調製波波形數據CD相比較，依據比較的大小結果進行二進位編碼，如果各相比較的編碼結果分別為b1、b2、…、bi，則它們按位組合為脈衝電平數據PB＝b1b2…bi。
8、脈寬調製波形數據產生部分將脈衝電平數據PB和當前的相位計數值PH組合為脈寬調製波形數據，並輸出有效的脈寬調製波形數據。為了避免數據的冗餘，只需要輸出表示脈衝電平發生變化的有效的脈寬調製波形數據，所以除了當相位計數值PH等於0時的脈寬調製波形數據一般總是被輸出外，當PH不等於0時，脈寬調製波形數據產生部分將比較當前點的脈衝電平數據和前一點的脈衝電平數據是否一樣，如果不一樣則表示脈衝電平輸出發生了變化，此時才將該點計算出的脈寬調製波形數據輸出。每次處理完一個相位點的脈寬調製波形數據後，脈寬調製波形數據產生部分還輸出一個計算時鐘脈衝信號，用以控制調製波波形數據發生部分和相位角度計數部分。
基於本發明方法獲得的正弦電壓脈寬調整波形數據，如果配合以相應的脈衝發生方法，就可以產生出正弦電壓脈寬調整波。
本發明方法的主要特點是從調製波離散波形的產生入手，提供了一種基於相位角度產生正弦電壓脈寬調製波形數據的方法，所產生的脈寬調製波形數據不僅包含脈衝電平的變化，還包含對應的相位角度。
本發明方法能夠依據基波頻率F對載波比P進行選擇，從而控制脈寬調製波的脈衝頻率。由於本發明方法根據基波頻率F或者與F成反比的參數NF的大小選擇不同的周波基本點數PL，而PL等於載波比P除相位採樣點數NS的商，所以PL的值就直接反映了正弦電壓脈寬調製中載波比P的大小，決定了調製波的頻率。利用PL的選擇就可以控制最終產生的脈寬調製波的脈衝頻率，從而滿足不同型號的電力電子器件對驅動脈衝頻率的要求。然而，一個基波周期內的相位採樣點數NS不一定能夠被P整除，所以本發明進一步引入了周波點數調整碼RCODE和周波點數調整碼長度RCLEN兩個參數來補償餘數，而且通過這兩個參數的選取還能夠滿足調製波波形相對於基波周期的對稱性要求，這將在後續的討論中加以說明。
首先應該指出，前述的調製波波形數據發生部分中所採用的調製波幅值增減運算方法是一個依據調製波的周波點數L選取增減控制信號的輸出狀態的算法規則，該方法使調製波一個周波的信號總能夠滿足奇對稱性。圖3給出了當L分別為8、9、10、11時調製波一個周波的離散波形，不論L被4除的餘數是多少，調製波形都是奇對稱的。進一步，如果選取相位採樣點數NS和載波比P都是3的整數倍，於是可以按照兩種可能情況加以討論。第一種情況是當NS能夠整除P時，此時NS＝P×PL，由P個調製周波組成的一個基波周期內的調製波波形是奇對稱性的。再有，這個離散的調製波如果依據基波相位角度進行相移120°，即按照相位採樣點在時間軸上平移了 點，這樣得到的波形將與原調製波形完全一樣，所以當NS能夠整除P時，調製波形也具有三相對稱性。第二種情況是當NS不能夠整除P時，假設NS＝P×PL+R(0＜R＜P)，這樣在一個基波周期中將有P-R個調製周波包含PL個採樣點，有另外R個調製周波包含PL+1個採樣點，如果這兩種調製周波按照一定規則均勻排布，就能保證一個基波周期的調製波的奇對稱性和三相對稱。為此，本發明引入了RCLEN和RCODE兩個參數來控制不同點數的周波的排布規律。
由於NS＝P×PL+R，如果NS和P是3的倍數，R一定也是3的倍數。於是，設計可以保證調製波至少有 個周波為一個變化周期，從而滿足三相對稱性，若 個PL+1點的周波在這 個周波組成的變化周期中兩邊對稱的分布，即可滿足整個基波周期內調製波的奇對稱性。這樣，周波的排布方式也就組成了調整碼RCODE，而RCODE的長度為RCLEN。比如，當選擇NS＝3600，P＝21時，3600＝21×171+9，在一個基波周期中有21個調製周波，其中，12個周期有171個點，9個周期有172個點。要首先保證三相對稱，則只要考慮在基波120°內的7個調製周波中4個171點周波(用0表示)和3個172點周波(用1表示)如何排列。採用兩邊對稱的排法，比如排列為0011100、0101010或1001001，都可以實現調製波的奇對稱性。如果選擇0101010的排法，整個基波周期中調製波周波點數排列為171，172，171，172，171，172，171；171，172，171，172，171，172，171；171，172，171，172，171，172，171。所以對於載波比NS＝3600，P＝21的情況，周波點數調整碼RCODE＝「0101010」，其長度RCLEN＝7。
如果調製波具有奇對稱性，可以基本保證脈寬調製波不含直流分量；如果一個基波周期的調製波三相對稱，則當產生互差120°的三相正弦電壓脈寬調製波時可以保證輸出電壓的三相對稱。所以本發明方法通過控制參數RCLEN和RCODE就可以滿足正弦電壓脈寬調製波的對稱性能要求。
依據基波頻率F改變載波比P時，調製波的幅值AΔ不應該隨之變化。為此，對應於不同載波比P，調製波波形參數部分還輸出一個等幅比控制參數ER，並取ER正比於P，即有ER＝q×P；其中，q是比例係數。當調製波變化量計算部分採用直接控制方式產生調製波變化量GX時，GX＝Y×ER，經過近似推導，調製波的最大幅值AΔ可以表示為A=NSq4Y;]]>所以當固定Ns和q時，調製波的最大幅值AΔ只受到參數Y的控制，而不受載波比P的影響。
如果參考波幅值為常數Aref，可以推導出調製比M的公式M=ArefA=4ArefNSqY.]]>上式說明本發明方法通過對輸入參數Y的控制，可以實現對脈寬調製過程中的調製比M的調節。
當調製波變化量計算部分採用V/F比恆定控制方式產生GX時，GX＝2-k×X×NF×ER，這時調製波的最大幅值AΔ為AΔ＝2-k-2×NS×q×X×NF；該式同樣說明引入參數ER後，調製波的最大幅值AΔ不受載波比P的影響。又因為NF=FclkKF]]>，V/F比恆定控制方式下的調製比M為M=2k+2KArefNSqXFclkF;]]>由上式，當參數k、K、Aref、N、q、X和Fclk固定時，調製比M和基波頻率F成正比關係。又因為當M＜1時，正弦電壓脈寬調製波的基波分量V和調製比M成正比，所以基波分量V和基波頻率F也成正比。所以，這種控制方式可以實現V與F比值大小恆定的控制，從而為電機控制等應用提供V/F比恆定的正弦電壓脈寬調製波形數據。
本發明所提供的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法不僅可以用程序軟體實現，尤其還為數字邏輯的實現提供了可行的方案。如前所述，計算X×NF的乘法運算可以轉換為統計X個sig信號周期裡時鐘信號clk的脈衝個數；而調製波變化量GX計算中的乘法GX＝D×ER(參數D在直接控制方式下等於Y，在V/F比恆定控制方式下等於2-k×XN×NF)，可以直接採用乘法邏輯，也可以將這個乘法轉化為加法來實現。如果ER數據採用二進位表示為ej-1ej-2…e0，則GX的計算可以分解為下式D×ER＝ej-1×D×2j-1+ej-2×D×2j-2+…+e0×D×20這樣，採用移位和j-1次加法運算就可以求出GX。所以，基於本發明方法採用計數、加法、比較和存儲空間等等數字邏輯就可以實現正弦電壓脈寬調製波形數據的產生。
本發明方法最後只需要通過控制輸入信號sig的頻率，調節參數X、Y以及各相的參考波相位參數，就可以實現正弦電壓脈寬調製波形數據的計算產生，控制參數少而且意義明確。所以在電力電子控制系統中，利用該發明方法可以實現基於相位產生正弦電壓脈寬調製波形數據的功能子模塊。該模塊具有獨立完整的功能，調節控制簡便，並有很好的穩定性和可靠性。
依據如圖1所示的原理結構實施本發明，所產生的正弦電壓脈寬調製波形數據對應的基波頻率F的範圍是10Hz～138Hz，一個基波周期內相位採樣點數為NS＝3600個。
1、輸入測頻部分的信號sig的脈衝間隔時間與基波0.1度相位時間相對應，所以sig的頻率是基波頻率的3600倍，即K＝3600。測頻時鐘信號clk的頻率為Fclk＝8×106Hz，統計1個信號sig的脈衝間隔中時鐘信號clk的脈衝個數，把這個個數當作參數NF。通過一個存儲空間可以設置參數X，並統計信號sig的X個脈衝間隔中時鐘信號clk的脈衝個數，將這個個數當作X×NF。
2、按照圖4所示的參數表，依據輸入的NF選取調製波波形參數PL、RCODE、RCLEN和等幅比參數ER。圖4的表中，第1列是輸入參數NF，並按NF的數值進行分段，依據基波頻率範圍可知16≤NF≤255。第4、5、6、7列給出了對應於NF各個數值段選擇的輸出參數PL、RCODE、RCLEN和ER的數據，表中的第2、3列給出了對應於NF各個數值段的載波比P和P除相位採樣點數NS的餘數值R的大小，P和R不作為輸入輸出數據，這裡給出是為了提供參考。從表中可知，等幅比ER與P的關係是ER=13P]]>，即比例係數q=13.]]>3、調製波變化量GX的計算受到一個狀態控制位數據vfmode的控制，當vfmode＝0時，選擇直接控制方式，即GX＝Y×ER；當vfmode＝1時，選擇V/F比恆定控制方式，即GX＝2-k×X×NF×ER，其中取k＝8。由於ER是正整數，其最大值為56，所以採用6位二進位數將ER表示為ER＝e5e4…e0，於是可得D×ER＝e5×D×25+e4×D×24+…+e0×D×20；採用5次加法計算出GX，而且最後只保留GX數據的整數部分。
4、調製波波形數據發生部分按照圖2所示的原理結構實施，在計算時鐘脈衝信號控制下產生調製波波形數據CD。得到的調製波的幅值AΔ為 5、脈寬調製波形數據產生部分每計算和存儲處理完一個相位點的脈寬調製波形數據，就向相位角度計數部分發出一個計算時鐘脈衝，於是相位計數值PH從0到3599計數增1；如果相位計數值PH增到3599，並又接收到一個計算時鐘脈衝後，相位計數值PH復位為0。
6、在參考波波形存儲空間中存儲的參考波為正弦波，其最大幅值為Aref＝210，每0.1度採樣一次，存儲地址範圍從0到3599，而且地址為j(j＝1，…，3599)的存儲數據對應於相位角度是(0.1×j)度的參考波波形數據。參考波波形數據發生部分輸出相位互差120°的三相參考波波形數據，這三相對應的參考波相位參數分別為0、1200和2400。如果用ST表示某一相的參考波相位參數，即ST等於0或者1200或者2400。當計算到相位計數值為PH的採樣點的脈寬調製波電平時，該相參考波輸出相位角度為0.1×(ST+PH)度的參考波波形數據，所以，如果ST+PH＜3600，則從存儲地址為(ST+PH)的空間中讀取該相參考波波形數據；如果ST+PH≥3600，則從存儲地址為(ST+PHASE-3600)的空間中讀取參考波波形數據。這樣，在每個相位採樣點就讀取出三個分別對應三相的參考波波形數據RD1～RD3。
8、數據比較部分比較調製波波形數據CD和三相的參考波波形數據RD1～RD3的大小。如果CD＞RDi(i＝1，2，3)，則該相輸出的脈衝電平數據為bi＝0(i＝1，2，3)；如果CD≤RDi(i＝1，2，3)，則該相輸出的脈衝電平數據為bi＝1。最後，b1、b2和b3組合為脈衝電平數據PB＝b1b2b3。
9、在脈寬調製波形數據產生部分中，3位二進位數據PB和13位二進位數據PH組合為16位脈寬調製波形數據。當相位PH等於0時，數據被存入存儲空間。當PH不等於0時，脈寬調製波形數據產生部分將比較當前的PB數據和前一點計算的PB數據是否一樣，如果不一樣則將此點的脈寬調製波形數據存入波形數據存儲空間。
由此，本實施例所產生的波形數據表示的正弦電壓脈寬調製波的調製比M為 如果設置vfmode＝0，即選擇直接控制方式，可以通過修改參數Y直接控制調製比M。如果設置vfmode＝1，即選擇V/F比恆定控制方式，可以通過設置參數X調整基波頻率F和調製比M的比例係數。當X＝20，基波頻率F分別為10Hz、48Hz和60Hz時，依據上述公式計算出的調製比M相應為當F＝10Hz時，M＝0.197；當F＝48Hz時，M＝0.944；當F＝60Hz時，M＝1.180。
基於該實施例，可以正確實現正弦電壓脈寬調製波形數據的產生。
權利要求
1.一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)採用固定頻率為Fclk的時鐘信號clk對前端頻率合成部分產生的方波脈衝信號sig進行測頻，得到測頻參數NF，或者利用公式NF=FclkKF]]>，得到NF，再依據由正弦電壓脈寬調製波基波分量的頻率F的控制範圍以及由調製比M設置的可控參數X，求出乘積X×NF，上述sig的頻率是基波頻率F的K倍，K＝(0.01～10)×NS，NS為每個正弦電壓脈寬調製波基波周期中選定的相位採樣點數，時鐘信號clk的頻率Fclk滿足Fclk＞K×F，F為基波頻率F的控制上限；(2)依據參數NF或者基波頻率F選擇調製波波形參數和等幅比參數ER，其中的調製波波形參數包括周波基本點數PL、周波點數調整碼RCODE和周波點數調整碼的長度RCLEN；(3)依據由調製比M設定的可控參數Y，按照公式GX＝Y×ER，計算出調製波變化量GX，或者依據上述第1步得到的數據X×NF，按照公式GX＝2-k×X×NF×ER，計算出調製波變化量GX，其中k為由GX的輸出範圍設定的數據位數調整參數；(4)在計算時鐘脈衝信號控制下，依據上述第2步得到的波形參數PL、RCLEN和RCODE以及上述第3步得到的調製波變化量GX，運算得到調製波波形數據CD，運算過程如下①依據調整碼長度RCLEN，對調整位計數脈衝從0到RCLEN-1循環計數，得到調整位數RN，②依據調整位數RN選擇調整碼RCODE中第RN位的數據作為調整信號輸出，③依據周波基本點數PL，當調整信號無效時，選擇周波點數L＝PL，當調整信號有效時，選擇周波點數L＝PL+1，④依據周波點數L，對計算時鐘脈衝信號進行分段計數和判斷，輸出具有『增』、『減』、『保持』和『復位』四種狀態的一組增減控制信號和一個調整位計數脈衝信號；⑤在計算時鐘脈衝信號控制下，依據上述的增減控制信號和調製波變化量GX對調製波幅值進行增減計算，得到調製波波形數據CD；(5)對計算時鐘脈衝信號進行脈衝計數，得到相位計數值PH；(6)由各路正弦電壓脈寬調製波之間的相位關係，設定各相的參考波相位參數，然後依據該參數以及上述相位計數值PH，從參考波波形存儲空間中讀取各相的參考波波形數據RD1～RDi，其中的i為需要輸出的正弦電壓脈寬調製波的相數；(7)對上述第4步得到的調製波波形數據CD與上述第6步得到的各相參考波數據RD1～RDi依次作比較，比較大小被二進位編碼，並將各相的二進位編碼值組合為脈衝電平數據PB；(8)由脈衝電平數據PB和上述第5步得到的相位計數值PH組合，成為脈寬調製波形數據，並最終輸出有效的脈寬調製波形數據，每次處理完一個相位點的脈寬調製波形數據後，輸出一個計算時鐘脈衝信號，該計算時鐘脈衝信號用以在上述第4步中控制調製波波形數據CD的運算，以及用以在上述第5步中對其進行脈衝計數產生相位計數值PH。
全文摘要
本發明涉及一種基於相位的正弦電壓脈寬調製波形數據的產生方法,首先得到測頻參數N
文檔編號H02M7/00GK1345114SQ0113109
公開日2002年4月17日 申請日期2001年9月21日 優先權日2001年9月21日
發明者龐浩, 王贊基 申請人:清華大學