一種基于DSP的新型單相PWM算法研究

脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。PWM模式是決定逆變器輸出電壓特性的根本。性能優(yōu)越的PWM模式可以使逆變器具有良好的輸出特性。由傅里葉分析可知，不對(duì)稱波形會(huì)帶來大量低次諧波、偶次諧波以及余弦項(xiàng)。因此PWM脈沖波形的對(duì)稱性對(duì)輸出特性有很大影響。
PWM的實(shí)現(xiàn)方法一般有兩種：比較法和計(jì)算法。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)功能的提高，計(jì)算法以其方便靈活的特點(diǎn)成為PWM實(shí)現(xiàn)方法的主流。采用計(jì)算法實(shí)現(xiàn)PWM時(shí)，按照每個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的取法，可以分為規(guī)則采樣PWM和自然采樣PWM。其中，采用規(guī)則采樣法，計(jì)算簡(jiǎn)單，占用系統(tǒng)軟件資源較少，因而應(yīng)用比較廣泛；但是由規(guī)則采樣法計(jì)算出的PWM波形，在系統(tǒng)載波頻率較低時(shí)，輸出精度差，并且在計(jì)算時(shí)需要通過查表確定計(jì)算結(jié)果，所以并不能保證其波形的對(duì)稱性，諧波含量也會(huì)因?yàn)椴ㄐ蔚牟粚?duì)稱而增加。
對(duì)于調(diào)制類PWM，有三種方式：同步調(diào)制，異步調(diào)制，分段同步調(diào)制三種方式。同步調(diào)制雖然可以在調(diào)制波頻率變化的所有范圍內(nèi)，載波與調(diào)制波的相位相同， PWM波形一直保持對(duì)稱，輸出諧波的低次諧波可以得到消除。但是在載波頻率變化范圍大時(shí)，電力電子器件的開關(guān)頻率變化范圍大，在低頻時(shí)，將給系統(tǒng)引入大量較低頻率的諧波。異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)在于載波頻率在調(diào)速過程中載波不變，高次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響基本固定，可以彌補(bǔ)同步調(diào)制的缺點(diǎn)。但是異步調(diào)制無法在大部分頻率點(diǎn)上都保證調(diào)制波與載波相位相對(duì)的固定，出現(xiàn)不對(duì)稱波形，會(huì)給系統(tǒng)引入大量的低次諧波、偶次諧波和余弦項(xiàng)。分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，但在波比切換時(shí)可能出現(xiàn)電壓突變，甚至震蕩。基于以上理論，本文提出一種新的PWM算法，可以在異步調(diào)制下，使PWM波形在T／2周期內(nèi)始終保持關(guān)于T／4 周期的完全對(duì)稱。

1 PWM算法原理
在用數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖時(shí)，三角載波實(shí)際上是不存在的，完全由軟件及硬件定時(shí)器代替，圖1為三角載波的產(chǎn)生原理(Ttimer為定時(shí)器的值)。 PWM脈沖的產(chǎn)生機(jī)理為：定時(shí)器重復(fù)按照PWM周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，比較寄存器中的值與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值相比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)， PWM輸出就會(huì)跳變；當(dāng)兩個(gè)值產(chǎn)生二次匹配或者一個(gè)定時(shí)器的周期結(jié)束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生第二次輸出跳變。通過這種方式就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號(hào)。在比較單元中重復(fù)完成計(jì)數(shù)、匹配輸出的過程，產(chǎn)生PWM信號(hào)，如圖2所示。

基于數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖的這種特點(diǎn)，利用本文提出的算法，可以實(shí)現(xiàn)在任何頻率下產(chǎn)生完全對(duì)稱的PWM波形。其原理為：根據(jù)三角載波頻率及DSP 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率確定定時(shí)器周期，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法，將形成載波的定時(shí)器周期等分，均分后所得到的數(shù)作為脈寬增量單元，隨時(shí)間遞增。脈寬以脈寬增量為單元成比例地增加或減少。