SPWM 数字化自然采样法的理论及应用研究

中文摘要:

  该文提出一种基于CPLD（复杂可编程逻辑器件）、 由全数字化方法实现自然采样法的SPWM（正弦脉宽调制） 新方案。该方案同时具有数字电路稳定可靠便于集成、微处 理器可以重复编程、以及自然采样法响应快精度高等优点。 对正弦调制信号us(t)的数字化处理，会引起SPWM 输出脉 冲宽度的误差。当us(t)斜率为正时输出负脉冲变宽；us(t)的 斜率为负时输出正脉冲变宽；这相当于在输出基波上附加了 一个齐次谐波分量。SPWM 数字化自然采样法存在脉冲竞 争现象。研究表明最大误差脉冲宽度和竞争脉冲宽度 基金项目：陕西省教育厅重点科研资助项目（99JK160）。 均与模数转换的采样周期和调制深度成正比，与载波比成反 比；竞争脉冲的个数由us(t)的斜率决定。给出了消除竞争脉 冲的方法。在一台4kVA 单相SPWM 电压型并联四重化逆 变器上取得了满意的实验结果。

英文摘要：

  A novel scheme of digital natural sampling based SPWM (sinusoidal PWM) is presented which is achieved by CPLD (complex programming logic device). This scheme is trusty and easily integrated as digital circuit, programmable as microprocessor, and rapid in response and with a precision as natural sampling SPWM. The digitization of sinusoidal modulation signals us(t) however, may cause a pulse width error in the SPWM output. A positive slope of us(t) makes the plus pulse width wider, and a negative one makes the minus pulse width wider. All these errors can be equivalent to adding an odd harmonic to the fundamental. There are some pulse competition in the digital natural sampling based SPWM. The study inchcates that the best error pulse width and the competition pulse width are proportional to the sampling period to us(t) and the modulation degree of SPWM; the number of competition pulse are dependent on the slop of us(t). A method for eliminating the competition pulses is presented. Satisfactory experiment results were obtained in a single-phase 4kVA voltage source inverter operating in 4-multiple SPWM.

1 引言
     SPWM（Sinusoidal PWM）控制技术是逆变器 研究和应用领域的核心技术之一[1]。在早期的 SPWM 实现方法中，最典型的是由一个模拟比较器 对一个三角载波和一个正弦调制信号进行比较，以 实现正弦调制信号对三角载波的调制。这种将三角 载波和正弦调制波进行实时比较以实现调制目的的 方法叫做自然采样法[2, 3]。显然，自然采样法适合于 用模拟比较电路来实现。模拟电路实现简单、响应 速度快，但是参数漂移大、集成度低和设计不灵活 是其固有而又难以克服的缺点。 随着计算机技术的快速发展，基于微控制器 （单板机、单片机、DSP 等）串行程序流的SPWM 实现方法层出不穷，已成为实现SPWM 的主流[4, 5]。 最常用的是各种形式的规则采样法[6]。基于微控制 器的SPWM 实现方法稳定可靠、便于集成、设计 灵活，但是受其状态周期和内部定时器时钟频率 的限制很难兼顾同时提高调制频率和调制精度 （时间分辨率）的双重要求，使其实时性受到很 大的限制[5]。 本文基于超大规模CPLD（复杂可编程逻辑器 件）新技术，根据自然采样法的基本原理，探讨一 种实现SPWM 的全数字化新方案。与串行程序流 的方法不同，在CPLD 中所有的数字信号均为并行 处理，其实时性要好得多。因此，在一定工程应用 的范围内，这种全数字化SPWM 新方法可以和自 然采样法的调制效果相逼近。故称之为SPWM 数 字化自然采样法。它既有数字电路稳定可靠无漂 移、便于集成等优点，又有可重复编程、设计灵活 的优势，同时还有响应快、精度高等接近自然采样 法的调制效果。
6 结论
     （1）研究提出了一种SPWM 数字化自然采样 法。它同时具有自然采样法和数字化实现的双重优 点。 （2）数字化自然采样法与理想的自然采样法 二者的SPWM 输出之间有一个脉冲宽度误差。最 大误差脉冲宽度与模数转换的采样周期成正比。 这一误差相当于在输出基波上附加了一个齐次谐 波分量。 （3）SPWM 数字化自然采样法存在脉冲竞争 现象。竞争脉冲的个数由式(16)决定，宽度由式(19) 决定。 （4）较为理想的实验结果表明，本文提出的 SPWM 数字化自然采样法是切实可行的。