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基于等面积法生成spwm波形算法的研究大学论文
基于等面积法生成SPWM波形的算法的研究
摘要：
SPWM波广泛应用于电力电子行业以及电动机调速和阀门控制。
本文提出一种改进后的等面积法产生SPWM波形，它具有精度高，计算简单，误差小等特点，明显优于自然采样法和规则采样法。
该系统采用三项逆变桥采用双极性控制，PWM驱动波形由89C52单片机查表发生成,IGBT的驱动电路采用IR2101芯片。
对其输出波形进行分析，证明了该方法的可行性和合理性。
经PROTUES仿真系统性能基本达到了设计要求。
关键词:
SPWM等面积法三项逆变桥89C52IR2101PROTUES
Thestudyof generatingSPWMwavealgorithmthatbasedonareaequivalentprinciple
Abstract:
SPWMwaveiswidelyusedinthepowerelectronicsindustry,theMotorspeedcontrolandtheValvecontrol.ThisstudypropoesaimprovedmethodofgeneratingSPWMwaveusingtheareaequivalentprinciple.Thismethodishighaccuracy,easytocalculateandhaslowdeviation.Itisobviouslybetterthannaturalsampledoneorregularsampledone.ThissystemuseThreeinverterbridgewithbipolarcontrol,PWMwaveisgeneratedby89C51（SCM）usinglookupmethod.ThedrivecircuitofIGBTadoptIR2101chip.Itisprovedthatthismethodisfeasibleandreasonableaftermakingharmonicanalysisofitsoutputwaveform.ThesimulationreasultsfromPROTUESshowsthesystem`srequirementsarereached.
Keyword:
SWPM,areaequivalentprinciple,Threeinverterbridge,89C51,IR2101,PROTUES
目录
1绪论1
1.1课题背景及研究意义1
1.2PWM波形算法和应用的发展现状1
1.2.1现有主要的PWM算法1
1.2.2PWM应用的背景及现状3
1.3课题的主要研究内容5
2正弦脉宽调制（SinusoidaPWM）技术7
2.1等面积法的介绍7
2.2现有几种等面积法的介绍与比较7
2.3等面积法的设计研究7
2.3.1等面积算法的原理7
2.3.2等面积法的算法推导9
3逆变与PWM调制技术12
3.1逆变电源和逆变技术12
3.1.1逆变的目的和优点12
3.1.2逆变的基本原理13
4正弦脉宽调制的实现15
4.1单极性调制与双极性调制15
4.2双极性SPWM控制方式15
5谐波分析20
5.1单相双极性SPWM波的谐波分析20
5.2三相逆变器输出SPWM波的谐波分析22
6软件设计26
6.1软件设计概述26
6.2单片机编程26
6.3程序流程图27
7硬件设计及仿真28
7.1AT89C52介绍28
7.2IR2101芯片及IGBT驱动电路30
7.3硬件仿真32
7.3.1硬件仿真图32
7.3.2仿真波形33
7.3.3硬件系统调试34
7.3.4系统调试的心得体会34
8总结35
附录36
附录1主要程序36
参考文献43
致谢44
1绪论
1.1课题背景及研究意义
电力电子技术作为一门新兴技术近些年得到了飞速的发展并逐渐在电力变换，高低压变频，工业控制等等领域得到广泛的应用。
随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器中的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深入的研究。
正弦脉宽调制技术即SPWM技术是在脉冲宽度调制技术即PWM技术（它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压）的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
常用于对控制波的波形和频率有较高要求的场所，如：
对重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS（UninterruptlePowerSupply）；针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器；针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS（EmergencePowerSupply）；针对船舶工业用电的岸电电源SPS（ShorePowerSupply）；还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等。
逆变电源是电力电子技术的主要应用领域之一，正是电力电子技术的飞速发展推动了电源技术的进步。
而电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为标志的，从某种意义上说，变频技术的发展过程正是半导体开关器件发展过程的反映。
近年来发展很快，其技术关键之一是采用了PWM方法。
自80年代初以来，各国科技人员开发了多种PWM方法。
归纳起来主要是：
自然采样SPWM、载波调制SPWM、谐波注入式PWM、最优PWM和无差拍周期补偿PWM等。
在众多的调制方法中，它们分别采用了面积法、图解法、计算法、采样法、优化法、斩波法、角度法、跟踪法和次谐波法等原理对逆变器进行了有效的调制。
1.2PWM波形算法和应用的发展现状
1.2.1现有主要的PWM算法
在SPWM波形生产的方法上主要是等面积法、谐波消去法和采样型SPWM法以及由此派生出的其它算法。
下面介绍一些被国内学界提出和研究过的一些等面积SPWM生产法以及一些其他的生产法进行参考。
直接等面积法----直接在一个采样间隙内正弦波小面积与生成的SPWM波所对应脉冲面积相等原理产生SPWM波，其优点时计算量小，计算过程简单，采样点少和规则采样Ⅰ法相当便于计算机实现。
缺点是计算精度不足。
精确直接等面积法----基本控制算法同直接等面积法，不同的是在计算式考虑到期间开通和关断时的死区时间并利用计算机等辅助手段更加精确的计算等效面积，这种方法较直接等面积法稍微复杂但在精度上有了很大的提升。
改进的等面积法----直接等面积法是以采样周期的几何平均中心为矩形脉冲中心，从面积等效原理可知，由这些脉冲构成的正弦波存在一定误差．一些学者提出一种改进的等面积法，即以正弦波每一等份的面积中心作为矩形脉冲的中心。
．该方法使变频器输出正弦波形的谐波分量更少。
谐波消除法----由于PWM逆变器的机理是基于调节脉冲宽度和间隔来实现输出接近于正弦渡的电流，在这种调节中产生了许多有害的谐波分量，从而使电机损耗加大，局部发热，井有可能产生严重的扭矩与振荡．为此，人们在PWM渡的基础上提出了许多改进方法。
谐波消去法就是其中一种，该法可以根据要求，消去任意频率的谐波。
谐波消去法就是在PWM方波预先确定的角度处产生槽口，以消去方渡内不希望有的高次谐波。
其缺点是该种方法在线计算十分困难，人们常将计算结果离线算出，存入计算机内，但这样存储容量极大，而且控制精度也有所降低。
对称规则采样法----该采样法的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称．因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点的时刻。
其优点是简化了计算公式．并可根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间，实现数字化控制,但是由于形成的SPWM波与正弦波的逼近程度仍存在较大的误差。
从而会造成一定的控制误差。
不对称规则采样法----该采样法的基本思想是同时在三角载波的顶点和底点对称轴位置进行采样。
即在每个载波周期内采样两次。
其优点是所形成的SPWM波与正弦波的逼近程度较对称规则采样有很大的提高，得到的SPWM脉宽较对称规则采样也更接近于自然采样，因此输出的波形比采用对称规则法的。
1.2.2PWM应用的背景及现状
脉宽调制型变额器主要用在两类工业功率控制装置中：
一是用于调速传动装置中，尤其广泛用于交流调速系统中。
采用脉宽调制技术控制逆变器后，使交流拖动系统实现了高调速比的平滑无级调速，出现了交流调速传动系统与直流调速传动系统相媲美、相抗衡的时代，出现了前者取代后者的趋势。
二是用于逆变电源中，特别是用在不间断电源UPS中，采用脉宽调制技术控制逆变器后，为精密仪器、计算机系统等提供了一种高可靠性的稳频、稳压和正弦波输出的无瞬间停电电源。
在目前，正弦脉宽调制技术（SPWM）在逆变电源的设计中获得了广泛的应用,其特征是用微处理器生成SPWM驱动信号，通常有查表和实时计算两种方法。
查表法要通过三角载波和正弦调制波相比较来确定开关时刻，它是根据不同的调制度和调制信号的角频率先离线计算出个开关器件的通断时刻，把计算结果存于EPROM中,运行时查表读出所需要的数据进行实时控制；实时计算法不进行离线计算,而是运行时在线计算所需的数据。
上述两种方法因自身特点的不同,各自有具体的应用场合。
电网停电时，它依靠装置内已充电的蓄电他供电，在装置内进行直流一交流变换，继续向负载提供电能，不停电时间取决于装置内的电池容量和负载功率。
上述两种工业功率控制装置，因其用途及负载性质不同，所以它们对采用脉宽调制技术控制的逆变器的结构形式和品质性能的要求也不尽相同。
目前，用于变频器的电力电子器件主要有晶闸管、门极可关断晶闸管（GTO）、双极型电力晶闸管（GTR）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率MOS场效应管（功率MODFET），以及最近几年在这些基本器件基础上发展起来的集成模块和智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule）等。
自从1964年，德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想，它们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。
30多年以来，PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展过程。
电力电子器件技术的不断发展，使得耐高压、大电流的新型电力电子器件已经应用玉电气传动系统。
世界各大电气公司将研究的重点放在中、高压大功率变频调速上，高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方面问题有很大的技术难度，成为各大电气公司竞争的热点。
在大功率交－交变频调速技术方面，法国阿尔斯通以能提供单机容量达3万KW的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万KW的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SinowertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10－2600KVA和SinowertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100－900KVA，其控制系统已全面数字化。
国外变频交流调速技术高速发展有以下特点：
（1）、市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。
（2）、功率器件的发展。
今年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产已经并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
（3）、控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制、自适应、神经网络等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；32位高性能微处理器及信号处理器和专用集成电路（ASIC）的快速发展，为实现变频调速传动设备高精度、多功能提供了硬件手段。
（4）、基础工业和各种制造业的高速发展，变频调速传动设备相关配套件实现了社会化、专业化生产。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平还有一定差距。
在大功率交－交变频、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。
而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷杨方面有很大需求。
在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机的多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的策略控制。
进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入SPWM和空间矢量控制（SVPWM）等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究。
1.3课题的主要研究内容
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难。
SPWM技术较好地克服了这些缺点。
而随着电力电子技术的发展，人们对变压变频电源的输出电压波形的质量也提出了越来越高的要求。
对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：
一是稳态精度高；二是动态性能好。
因此，研究开发既简单有具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一，伴随着这个问题解决的深入如何产生标准的、精确的何可控的SPWM信号是实现这种技术的关键。
等面积法就是利用控制理论中一个常用的定理：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
等面积法的基本思想是将一个正弦波分成T等份，把每一等份的正弦波曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替。
它具有控制精度高、输出正弦波形好、开关点实时计算不复杂。
本课题的任务根根据生产SPWM波形的等面积算法的思想，对生产SPWM的控制算法进行深入研究。
电路采用三相桥式逆变器，双极性控制，要求每半周生产18个脉冲波，设计基于等面积算法生产SPWM的控制算法；用51单片机输出（用查表法）SPWM脉冲波形。
本设计的主要内容章节安排如下：
第一章绪论，介绍了涉及课题的研究背景、意义和现状，PWM工控应用，以及该设计的主要任务。
第二章等面积法生产SPWM波形的算法设计，分析了现有各种等面积法的优缺点，选取和改进生成一种较为精确的波形生产算法，并进行相应的误差校正。
第三章逆变与PWM调制技术,介绍了逆变技术基本原理以及在电力行业中使用目的和用途。
第四章正弦脉宽调制的实现，介绍了脉宽调制技术中最常用的两种调试方法：
单极性控制和双极性控制。
第五章谐波分析，分析单双极性下各种PWM生成方式下谐波分量的存在情况，以期比较各种方式对谐波的消除作用的强弱。
第六章软件设计，介绍单片机控制程序的编写思想和流程。
第七章硬件设计，介绍实现驱动三项逆变桥的仿真系统的设计和各主要元件的介绍。
第八章总结，对整个设计和设计过程中的问题和心得进行小结。
2正弦脉宽调制（SinusoidaPWM）技术
2.1等面积法的介绍
采样控制理论中有一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
等面积法的基本思想是将一个正弦波分成N等份，把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲代替。
若按照常用的谐波分析方法几乎全是将正弦波每一等份用一个矩形或梯形面积等效来分析，但用51单片机生成的SPWM输出引脚来形成SPWM波形，实际上每一等份的矩形波都是具有某一占空比的SPWM波形。
2.2现有几种等面积法的介绍与比较
直接等面积法----直接在一个采样间隙内正弦波小面积与生成的SPWM波所对应脉冲面积相等原理产生SPWM波，其优点时计算量小，计算过程简单，采样点少和规则采样Ⅰ法相当便于计算机实现。
缺点是计算精度不足。
精确直接等面积法----基本控制算法同直接等面积法，不同的是在计算式考虑到期间开通和关断时的死区时间并利用计算机等辅助手段更加精确的计算等效面积，这种方法较直接等面积法稍微复杂但在精度上有了很大的提升。
.
改进的等面积法----直接等面积法是以采样周期的几何平均中心为矩形脉冲中心，从面积等效原理可知，由这些脉冲构成的正弦波存在一定误差．一些学者提出一种改进的等面积法，即以正弦波每一等份的面积中心作为矩形脉冲的中心。
该方法使变频器输出正弦波形的谐波分量更少。
因此在综合参考文献中所提到的各种算法，本方案拟采用的改进的等面积法来进行算法的进一步研究。
2.3等面积法的设计研究
2.3.1等面积算法的原理
如图1上所示的正弦半波波形分为N等分，每份为π／N，当把该信号作为某个惯性环节的输入信号时，可以将其看做是由N个彼此相连的脉冲信号所组成的输人信号，且这些脉冲信号的宽度相同，只是幅值各不相同，各脉冲的幅值是按正弦规律变化的。
如果将这些脉冲换成相同数量、相同面积的等幅脉冲代替，并使等幅脉冲序列的中点相重合就可得到图l下图的脉冲序列。
若将这两种脉冲序列施加在同一个惯性环节时，其输出基本相同。
图1下图所示的等幅脉冲序列就称为脉冲宽度调制SPWM波形，可以看出该波形中各个脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的，根据面积等效的原理，SPWM波形和正弦半波是等效的。
对于正弦波的负半周，也可以用相同的方法得到脉冲宽度调制SPWM波形。
这种脉冲幅值相等，宽度按正弦规律变化，且与正弦波的输出响应等效的脉冲宽度调制称
为正弦脉冲宽度调制SPWM。
要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
在图中的正弦半波波形中取一小区间
，其面积为
，则与其面积相等的矩形脉冲面积为
，宽度为
。
设正弦波幅值为
。
调制度为
，矩形脉冲幅值为
。
图2.1SPWM波形原理
（1）
（2）
（3）
（4）
（
i=1,2,3
）
2.3.2等面积法的算法推导
载波比K将决定每个调制波周期中，输出SPWM脉冲的个数。
设半个调制波周期输出l8个SPWM脉冲。
从输出波形上可以明显看出，它比单脉冲调制输出电压基波的波形更接近正弦波。
而且K值越高，SPWM脉冲个数越多，越接近理想正弦波。
下图中k代表第k次采样，N代表半周期内对正弦的采样点。
IGBT的开关时间可如图2所示进行计算。
图2.2生产SPWM波形的面积等效图
在图2中设正弦调制波的频率为50Hz，脉冲的幅值为单位量1，用
表示，则正弦波幅值
就是调自制比
，设它为1，设
为正弦波所对应的第K个面积，设所得脉冲波的面积为
，把正弦半波波形分为
等分，分别求其所包含的面积，用双极性正弦脉宽调制，可得如下关系：
=
（面积差等于
）
（宽度和等于
）
式中：
凡把正弦半波波形分为N等分，k为第几个等分（k=0，1，2，……n一1），为正脉冲的宽度，在设x为第k个脉冲所对应的时间点，Y为第k+1个脉冲所对应的时间点。
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
综合上述推导公式利用计算机程序可计算出每个脉波对应的器件开关时间，如下：
I=0TN=0.000266TN1=0.000290
I=1TN=0.000797TN1=0.000867
I=2TN=0.001330TN1=0.001448
I=3TN=0.001865TN1=0.002024
I=4TN=0.002402TN1=0.002598
I=5TN=0.002942TN1=0.003169
I=6TN=0.003485TN1=0.003737
I=7TN=0.004033TN1=0.004301
I=8TN=0.004584TN1=0.004860
I=9TN=0.005140TN1=0.005416
I=10TN=0.005699TN1=0.005967
I=11TN=0.006263TN1=0.006515
I=12TN=0.006831TN1=0.007058
I=13TN=0.007402TN1=0.007598
I=14TN=0.007976TN1=0.008135
I=15TN=0.008552TN1=0.008670
I=16TN=0.009131TN1=0.009203
I=17TN=0.009710TN1=0.009734
3逆变与PWM调制技术
3.1逆变电源和逆变技术
将交流电变成直流电的过程叫做整流。
与之相反，将直流电变成交流电的过程叫做逆变。
完成逆变功能的电路则称为逆变电路，逆变根据逆变电路输出交流侧交流电源的有无，可分为有源逆变和无源逆变。
逆变电路根据直流电源的类型不同，又可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。
而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。
无源逆变电路输出的频率与电压既可以是恒定的，也可以是可变的，它与有源逆变有很大的差别。
变频逆变电路一般应用于交流电机的变频调速，性能可靠、动态性能好、节电、效率高。
恒频逆变电路一般用于感应加热、计算机的UPS电源领域，随着技术的进步，变频器的容量越来越高、性能优良、价格越来越低，在农业生产、家电、医用设备、军事装备上得到广泛的应用。
3.1.1逆变的目的和优点
（1）逆变的目的
采用逆变技术是为了获得不同的稳定或变化形式的电能。
例如；
由蓄电池中的直流电源获得交流电，如不间断电源,应急灯电源、通用逆
变电源等。
由苦电池中的直流电源获得多路稳定的直流电，如程控电话交换机二次电源等各种通用比AC／Dc变换器。
获得可变频率的交流电源，如交流电动机调速变频器等。
实现电能量回馈，如电动机制动再生能量回馈有源逆变系统等
使电源设备小型化、高效节能、获得更好的稳定性和调节性能，
流电源变换器。
利用感应涡流产生热量，如中频炉和高频感应加热（电磁灶等）采用逆变技术的优越性
在现代逆变技术的应用领域中，许多用电设备和系统都有一个发展的过程。
由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控硅（晶问管）整流式，直至发展到逆变式（或者叫开关式），这不仅是因为现代电力电子技术的发展为逆变技术的采用提供了必要的条件，更重要的还是因为采用逆变技术有很多优越性。
我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。
例如，交流电动机的调速需要灵活地改变三相电流的频率和电压幅度（VVVF调速）；感应加热电源输出电压的频率和幅度变化就可以改变被加热金属器件产生的热量。
不间断电源设备在电网停电时，将蓄电池中的直流电逆变成交流电，供计算机等用电设备使用，不间断其工作，从而不会造成太大损
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