PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器.docx
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PSIM仿真设计单相桥式SPWM逆变器
PSIM仿真设计单相桥式PWM逆变器
一、实验目的
1.加深对SPWM基本原理的理解
2.熟悉双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制的原理。
3.掌握PSIM仿真软件基本操作并搭建单相SPWM仿真验证双极性脉冲宽度调制和单极倍频正弦脉宽调制；实验验证单级倍频正弦脉宽调制的特点。
二、实验设备
表4-1实验所需设备表
序号
型号
备注
1
三相逆变器试验模块PEK-130
该实验模块包含DSP控制模块、辅助电源模块、驱动电源与开关驱动器模块、JTAG刻录模块
2
4CH数字示波器
GDS-2204E（4CH,200MHz）
3
直流电源供应器
PSW160-7.2（160V,7.2A）
4
单相交流被动式负载
GPL-100
5
Win764位操作系统的电脑一台
安装PSIM软件、CCS软件
6
万用表
7
U盘
容量不是特别大的，USB2.0的U盘，记录示波器波形
三、实验原理
（一）、单相桥式电路（H桥）拓扑及其工作原理
电压型全桥逆变电路共有四个开关管：
T1、T2、T3、T4和四个续流二极管二极管D1、D2、D3、D4，如图4.1所示。
当T1、T4导通时，Vab=VD；当T2、T3导通时，Vab=-VD；当T1、T3导通时Vab=0；当T2、T4导通时，Vab=0（其中T1、T2不能同时导通；T3、T4不能同时导通）。
因此控制四个开关管的通断可以控制输出电压在VD、-VD、0之间变化。
（二）、SPWM的原理
采样控制理论有一个重要的原理——冲量等效原理：
大小、波形不相同的窄脉冲变量，例如电压V（t），作用于惯性系统（例如RLC电路）时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。
图3-1单相桥式逆变电路的拓扑结构
图3-2用SPWM电压等效正弦电压
如果将图3-2所示的标准正弦波等分成很多份，那么一个连续的正弦波也可以看作是一系列幅值为正弦波片段的窄脉冲组成。
如果每个片段的面积分别与①、②、③…所示一系列等宽不等高的矩形窄脉冲的面积相等，那么从冲量等效的观点看，由①、②、③…这些等宽不等高矩形脉冲波构成的阶梯波和标准正弦波是等效的。
进一步，如果让图3-1所示逆变器产生如图3-2所示一系列幅值为±Ud的等高不等宽矩形电压窄脉冲，每个电压脉冲的面积（冲量）分别与①、②、③…面积相等，于是图3-2中的登高不等宽的脉冲电压和正弦电压也是冲量等效的。
作用于R、L、C惯性系统后基本是正弦波。
※（三）、双极性正弦脉冲宽度调制（重点）
图3-3双极性正弦脉宽调制输出波形
基于载波的SPWM如图3-3所示，图中的高频三角波vc成为载波，正弦波vr称为调制波或参考调制波。
开关管信号VG>0时表示驱动对应的开关管导通，VG<0时表示关断对应的开关管。
图中三角波vc和正弦波vr的交点时刻就是开关管驱动信号的变化时刻。
当vr>vc时，使VG1>0、VG4>0，同时驱动对角线两个开关管T2、T4导通；使VG2<0、VG3<0时关断对角线两个开关管T2、T3，这时vab=VD。
当vr>vc时，使VG1>0、VG3>0，同时驱动对角线两个开关管T2、T4导通；使VG2<0、VG3<0时关断对角线两个开关管T2、T3，这时vab=-VD。
从如图3-3可以看出任何一个载波周期内，逆变器输出电压vab都既有正值也有负值，故称这种调制方式为双极性SPWM。
图3-4双极性调制脉冲电压占空比及平均值
当载波频率fc远大于调制波频率fr时，可近似认为在一个载波周期Tc内，调制波的值vr不变。
则如图3-4所示基于几个关系可得到一个周期内vab=VD的占空比
（4-1）
一个载波周期Tc内，输出电压的平均面积为
（4-2）
将式（4-1）带入（4-2）可得到
（4-3）
从式（4-3）可知，每个载波周期输出电压平均面积和当前vr大小成比例，这说明每个载波周期输出的平均电压按正弦规律变化，符合冲量等效原理。
当载波频率很高时，由式（4-3），逆变器输出的几波电压瞬时值可以认为是
（4-4）
式中，V1m是输出几波电压的峰值，M为调制比
（4-5）
式（4-5）表明，逆变器输出的基波电压和调制波vr具有相同的频率和相位，同时SPWM输出的基波电压大小和调制比M成正比。
对SPWM输出波形进行傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波，相较单脉波脉冲宽度调制PWM消除了许多低次谐波。
开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，经过LC滤波器滤波后，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。
※（四）、单极性倍频正弦脉冲宽度调制（重点）
与双极性SPWM对应，如果调制波的正半周期仅出现正向电压脉冲，调制波的负半轴仅出现负向电压脉冲，这种调制方式成为单极性SPWM调制。
对图3-1所示的T1、T2桥臂和T3、T4桥臂分别进行双极性SPWM调制。
两个桥臂公用一个调制波vr，不同之处在于T1、T2桥臂的三角载波是vc，而T3、T4桥臂使用的三角载波是将vc反向或移相180°得到的-vc。
T1、T2和T3、T4桥臂的驱动脉冲的变化时刻就是图3-5所示的调制波和各自载波的交点。
可以由图3-5看出对应于基波电压正、负半周，SPWM波形仅出现正、负脉冲，所以称为单极性SPWM。
图3-5单极倍频正弦脉宽调制输出波形
图3-6单极倍频正弦脉宽调制脉冲电压占空比及平均值
由图3-6可以清晰地看到在一个载波周期Tc中生成了两个驱动脉冲，产生了脉冲数倍增的效果，所以这种调制方式也称为单级倍频SPWM调制。
与双极性SPWM的分析类似。
假设载波频率足够高，在一个载波周期vr的大小不变。
由图3-6可得，第k个脉冲的占空比为
（4-6）
其中αk表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。
半个载波周期内输出电压的平均面积为
（4-7）
当载波频率很高时，根据（4-7）逆变器输出的基波电压瞬时值可以认为是
（4-8）
V1m是输出基波电压的幅值，
，定义为调制比。
单极性SPWM同样具有消除地次谐波，使谐波分量高频化的特点。
分析可知，单极性SPWM在不提高每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波频率提高到两倍载波频率附件，更容易滤除。
因此在单相全桥逆变器应用中，单极倍频SPWM比双极性SPWM优越。
对于单极倍频调制，当2N数值较大，通常认为（2N-1）fr的谐波为主要低次谐波，是滤波器设计时需要重点考虑滤除的谐波。
四、实验内容
说明：
本实验是一个单相逆变实验，由于实验室没有单相逆变模块，也没有三相负载，有三相逆变模块（PEK-130）和单相交流负载（GPL-100），所以用三相桥中的其中任意两桥臂结合单相负载搭建单相逆变实验。
该指导书中用的是1、3两桥臂，即U、W桥臂。
原理图如下图4-1所示，实验中采用输出采用LC滤波，滤波电容C1、C2、C3采用△连接。
图4-1实验逆变器原理图
实验内容包括：
1.仿真。
本实验需搭建双极性SPWM和单极倍频SPWM两种调制方式下的仿真电路。
2.实物。
将单极倍频SPWM调制方式下的仿真电路转换成数控方式，生成C代码，烧录到三相逆变器模块（PEK-130），连接实物电路，完成实体实验。
五、实验步骤
（一）仿真搭建
在PSIM里新建一个电路绘制页面，搭建如下图5-1所示仿真电路：
图5-1实验仿真图
在前面三个实验的基础上想必大家对PSIM已经有所了解，而且大部分元器件在PSIM最下面的工具栏可以直接找到，故在这里就不一一指明每个元器件的位置，只给出元器件的参数配置，同时给出部分元器件的位置。
对于没有给出位置的元器件都可以通过Viem/LibraryBrowser或则点击下图中箭头指示工具找到。
图5-2元器件位置浏览
1.主电路
在下图中左侧为元器件，右侧为其对应的参数配置。
图5-3元器件参数配置
上图中第二个为节点标签（Label），在主电路中总共有9个，其余8个在主电路中如图5-1所示，名字（参数）配置依次是Ioa、Iob、Ioc、Voa、Vob、Voc、ILa、ILc，标签（Label）在如下图指头所指处可以找到。
图5-4元器件参数配置
图5-5元器件参数配置
在主电路中有3个电感，3个电容，电感的值都一样L1=L2=L3=1mH，电容的值都一样都是C1=C2=C3=1uf，有5个电流传感器，值都是1/3.375。
主电路中其余的是6个MOSFET开关管和电压、电流表，MOSFET参数采用默认值，电压电流表注意连接方向，带有o的一端为正。
2.输出检测电路
图5-6元器件参数配置
在输出检测电路中总共6个标签，3个电压传感器，如图5-1所示。
上面三个标签从左至右值依次是Voc、Vob、Voa，下面三个标签从左至右值依次是Voca、Vobc、Voab，3个电压传感器的值都是1/100。
3.按键模拟电路
图5-7元器件参数配置
图5-8元器件参数配置
在按键模拟电路中有2个StartPWM模块，PWMSource分别是PWM1、PWM3。
2个StopPWM模块，PWMSource分别也是PWM1和PWM2。
4.A/D转化电路
图5-9元器件参数配置
A/D转化电路中共8个标签（Label），值从左至右依次是Voca、Vobc、Voab、ILa、ILc、Ioc、Iob、Ioa，8个限幅模块（Limiter），值都是-1.5—1.5，8个零阶保持器（Zero-Order-Hold），采样频率都是18k。
图5-10元器件参数配置
A/D模块参数默认，共9个SCIoutput，从左至右模块中Name依次是Psm_Voca、Psm_Vobc、Psm_Voab、Psm_ILa、Psm_ILb、Psm_ILc、Psm_Ioc、Psm_Iob、Psm_Ioa，在电路连接时注意A/DComputer模块各引脚的对应。
5.调制波产生电路
图5-11元器件参数配置
在调制波产生电路中零阶保持器（Zero-Order-Hold）是18k。
正弦模块（Sine）、乘数模块（Multiplier）乘数默认，2个标签的名字从左至右依次是Vconc、Vcona。
6.驱动脉冲产生电路
图5-12元器件参数配置
在PWM调制产生驱动脉冲电路中有2个限幅（Limiter）模块，值都是-5~5，2个SCIOutput模块，从左至右Name的值依次是PSM_Vcona、PSM_Vconc，2个标签（Label）模块，从左至右值是Vcona、Vconc。
零阶保持器采样频率18k。
图5-13元器件参数配置
两个1-phasePWM模块参数配置在PWMSource有区别，分别是PWM1和PWM3，其余的参数设置一样。
7.全局参数配置部分
图5-14全局参数配置
（二）、实体电路实验
1.生成C代码及烧录
①搭建完成仿真电路以后在确保电路无误的前提下点击菜单SimulateGenerateCode即可生成C代码，同时自动生成一个包含C代码的文件夹，这个文件夹和之前建的仿真电路文件在同一个文件夹下。
如下图5-15所示：
图5-15生成程序图
②打开CCS软件，菜单ProjectImportLegacyCCSV3.3Projects…SelectaProjectfileBrowse（找到刚才生成的C代码文件加载进来）NextfinishOK即可把工程加载进来，加载完成以后的结果会在左侧显示，如下图5-16所示。
图5-16工程加载完成图
③点击工具栏中的锤子
标志，对程序进行检查，如下图5-17所示，检查完以后在Description栏应该是没有0errors，如果有errors表示程序有误，需检修改程序（有Warnings标志不影响）。
图5-17程序检查图
④右键点击工程PropertiesGeneralProjectVariant（选择2833XDelfino，后面的框里再选择TMS320F28335）Connection（选择TexasInstructionsXDS100v1USBDebugProbe）LinkerCommandfile（选择）ApplyandClose，最后配置完成结果如下图5-18所示：
图5-18工程配置图
⑤在PEK-130上连接好烧录器，在CCS工具栏点击虫子形状按键进行烧录，如下图5-19所示：
按照以上步骤即可将程序烧录到DSP中。
图5-19程序烧录
⑥通过通讯线将PEK-130模块的RS232借口接到PC机，在电脑上PSIM软件里点击菜单UtilitiesDSPOscilloscopeConnect就可在电脑端观测到输出波形。
如下图5-20所示：
图5-20电脑端实时观看输出波形
2.硬件接线
实验台子是固纬公司的PTS-1000，配置如下图5-21所示：
图5-21PTS-100实验台
在本次单相逆变实验中用到4CH数字示波器（GDS-2204E）、直流电源（PSW160-7.2）、单相交流负载（GPL-100）、PEK-130模块和辅助电源模块，PEK-130模块和辅助电源模块如下图5-22所示：
图5-22实验模块
接线原理图如下图5-23所示：
图5-23实验接线原理图
六、实验要求
1．实验前认真阅读实验指导书，预习实验内容，根据实验指导书搭建单极倍频正弦脉冲宽度调制电路仿真。
实验时根据仿真搭接试验台进行单级倍频正弦脉冲宽度调制实验，并完成以下内容：
1）在PSIM中仿真，并记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器输出电压波形，并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和谐波分布结果。
实验时测量并记录T1、T2的IGBT驱动PWM电压波形，观察并记录死区时间；
2）电路其他参数不变，改变调制度M分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1，观察负载两端输出电压波形，并记录示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形），并填写表4-2；
表4-2不同调制波幅值下的负载电压
调制度（M）
0.2
0.4
0.6
0.8
1
计算值
实测值
3）电路其他参数不变，设置调制度M为0.6，改变三角波（载波）的频率
依次为5kHz、10kHz、18kHz。
运行程序，观察负载两端输出电压波形，并记录示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。
用示波器对输出电压波形进行FFT分析（用U盘保存结果），并填写表4-3；
表4-3不同载波频率下的负载电压
载波频率（fc/Hz）
5k
10k
18k
THD
基波幅值
4）电路其他参数不变，调制度M为0.6，载波频率fc为18k，改变死区时间
依次为5、10、15（单位为us）。
运行程序并观察负载两端输出电压波形，记录示波器显示的输出电压波形（用U盘保存波形）。
用示波器对输出电压波形进行FFT分析,，并填写表4-4；
表4-4不同死区时间下的负载电压
死区时间（us）
5
10
15
THD
2.在单极性倍频正弦脉冲宽度调制仿真的基础上，修改仿真，搭建双极性正弦脉冲宽度调制仿真。
记录当调制度M为0.6，载波频率为18k时的逆变器输出电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和谐波分布结果。
3.在PSIM中搭建单脉冲调制仿真。
记录当调制度M为0.6时的逆变器输出电压波形（不是负载两端波形），并对输出电压波形进行FFT分析，记录THD和谐波分布结果。
4.分析比较题1中1）、题2、题3中的三种调制方式下逆变器输出波形的THD和谐波分析结果，思考不同调制方式下负载谐波分布各自有什么特点；THD有什么特点？
三种调制方式下负载两端的输出波形THD又有什么特点？
七、注意事项
1.如果在程序检查时出现如下图7-1所示错误，表示CCS新版本中已经不含XDAISv1.0.0，可按步骤:
右击工程PropertiesGeneralProducts取消XDAIS，如下图7-2所示。
图7-1出现的错误
图7-2解决办法
2.搭建仿真电路时注意元器件的方向带有o的一端为正，带有的一端为输入。
3.仿真电路中元器件前面有
符号的才可以生成C代码。
4.实体接线中各插口都是防反插的，注意看准方向，不要硬怼。
5.上电顺序应该是先给控制板供电，再烧录程序，最后上主电，关断时刚好相反。
6.记得带U盘，拷出示波器是的波形。
7.认真预习实验，实验前要检查实验报告，请认真参照指导书图5-1搭建仿真电路，并根据实验指导书设定参数，可以减少出错率。
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