用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法及设备

技术领域

本发明涉及信号调制领域，尤其涉及一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法及设备。

背景技术

400Hz中频电源，作为军用制导雷达站的主要电源设备，在舰船和航空航天等领域有着十分广泛的应用。传统中频电源是通过旋转发电机组发出的交流电，在电力电子技术快速发展下，静止式中频电源的容量和性能有了很大的提高。正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)是中频逆变电源的主要调制技术，其中应用最广泛的是自然采样法和对称规则采样法。自然采样法得到的SPWM波形是最符合采样原理的，谐波量低且波形质量好，易于借助模拟电路实现。不过，自然采样法参数易发生漂移，同时纯模拟电路会降低控制电路的集成度，增加后期修改的难度。对称规则采样法易于数字化工程实现，且原理简单、控制集成度高、后期优化调试方便。不过，该方法谐波量略高于自然采样法。对称规则采样法在工频电源中应用较广，与工频(50Hz/60Hz)相比而言，400Hz中频电源对波形的质量要求更高，同样的开关频率在工频逆变电源中可以得到高质量的波形，但应用在中频电源中得到的波形质量有所降低。因此，在避免庞大计算量和增加开关频率的前提下，如何改进中频逆变电源中SPWM的采样方法以提升波形质量，就显得非常重要。

朱其新等提出了一种组合型中点SPWM的采样方法，只需在三角载波的波峰和波谷进行两次采样，较传统的规则采样法进行了优化，使得负载的THD更小，但是计算步骤则需要翻倍。

王承宇等对交点式不对成规则的SPWM采样法中的开关时间进行了估算处理，从而使逆变器产生的正弦波更接近于自然采样法，但是没有解决采样点过多、计算量较大等不足的问题。

李巍等提出基于切线逼近法的非对称规则采样SPWM方法，计算出采样点的正弦调制波的切线与三角载波的交点，使其接近自然采样法的采样点，能够有效减少负载THD，不过它是应用于工频电源装置中且调制比偏大，不能直接套用于中频电源。

专利CN202010158373.7提供了一种切线逼近法非对称规则采样SPWM调制方法、设备及存储设备，其利用采样点切线逼近的原理，使得调制效果在接近自然采样法的同时，避免占用了过多的内存空间，为车载高频逆变充电装置的实现提供了可行性；首先该方法为一种切线逼近法，其次该方法仅适用于车载高频等类似应用场景，而对于400Hz的中频电源，并不完全适用。其具体区别在于：400Hz的中频电源的基波是400Hz，那么基于SPWM调制技术产生触发脉冲时的正弦调制波的频率(f

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法。

本发明提供一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法，具体包括：

S101：任意一个采样周期内，在三角载波的波谷时刻t

S102：任意一个采样周期内，在三角载波波谷时刻t

S103：取点A

S104：获取点A、B对应的采样时刻t

S105：利用y

进一步地，步骤S101中，y

式(1)、(2)中ARR表示三角载波的峰值；M表示调制比；T

进一步地，步骤S102中，y

式(3)、(4)中，t′

进一步地，步骤S105中，所述载波比N由三角载波频率f

一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述的一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法。

一种切线逼近法非对称规则采样SPWM调制设备，包括处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现所述的一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：基于切-割线中点逼近法的输出波形的总谐波失真(THD)为2.64％，小于对称规则采样法的3.99％，现场工程试验结果表明，基于切-割线中点逼近法的波形质量明显优于对称规则采样法，同时降低了开关频率；能够有效克服对称规则采样法输出波形质量不高、开关频率高等缺点，理论分析和工程实践两个方面验证所提方法的准确性，并可广泛推广到中频电源实装领域。

附图说明

图1是切-割线中点逼近法原理示意图；

图2是切线关键点计算示意图；

图3是割线逼近法计算示意图；

图4是本发明中频逆变装置仿真模型；

图5是SPWM脉冲对比图；

图6是切-割线中点逼近法采样点图；

图7是FFT分析结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

本发明提供了一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法，方法基于切-割线逼近法，具体包括：

S101：任意一个采样周期内，在三角载波的波谷时刻t

S102：任意一个采样周期内，在三角载波波谷时刻t

S103：取点A

S104：获取点A、B对应的采样时刻t

S105：利用y

在具体进行详细阐述前，本申请先对本发明方法进行原理上的推论与解释。

首先请参考图1，图1是本发明切-割线中点逼近法的原理示意图；

图中，采样时刻为三角载波的波峰和波谷，其对应的正弦调制波上的点即为采样点(点C、D、E)；

A

A

A为A

根据图1推导A、B两点可近似于正弦波与三角波的交点，即近似于自然采样法的采样点。

在载波周期为T

sin(ωt

式中m、n为待定系数，为简化计算且不影响编程，可取m＝n。t

已知载波比N为载波频率f

由式(3)可以推断出，当N值取得比较大且N＞＞π时，cos(π/N)→1，因此，可得m＝n＝0.5，即

接下来分析m、n的等效误差。

当N≥20(本实施例的取值)时，m、n与0.5的绝对值误差为：

分析式(4)表明，当N≥20(本实施例的取值)时切线和割线逼近正弦波的误差值小于1.25％。因此，当载波比N足够大时，正弦调制波在第k个载波周期内的弧线段

下面结合本申请提出的切-割线逼近方法，具体进行求解。

基于切-割线中点逼近的SPWM采样方法的关键点计算中，按照切线和割线原理分别计算。

请参考图2，图2是切线计算原理示意图；

图2中，A

利用表达式(5)可以求得KN和A

同理，可求出即点B

以上是切线计算方法的阐述。

请参考图3，图3是割线计算方法示意图。

在一个三角载波周期T

如图3所示，显然△A

图3中点C和点D为割线的两个端点，在三角载波的第k个周期内，取三角载波的峰峰值为ARR，则可以得出HD和CN的表达式为：

联立式(8)和(9)可以求得割线CD与三角载波的交点A

同理，可以求出割线CE与三角载波的另一交点B

根据数学关系式可以求出基于切-割线中点逼近法的开关通断时刻点A和B相对三角载波波谷的高度y

当确定载波频率f

为保证开关管通断时刻在微处理器MCU(本实施例选择ARM充当微处理器)中易于实现，需要求出在开关管的开断时刻的比较值。当计数器的计数值大于比较值时，则控制开关管开通，反之，则关断开关管。

为阐释方便起见，将第k个载波周期中点A处开关开通时刻的比较值记为n

式中ARR表示脉冲周期对应的定时器的自动重装载值，即三角载波的峰峰值，载波比N确定后t

作为一种实施例，本申请对所提出的方法进行了仿真验证分析。

在MATLAB/Simulink软件环境中，对基于切-割线中点逼近法的SPWM采样原理构建仿真模型，进行可视化分析，如图4所示，它主要包括直流电源、逆变器、中频变压器、LC滤波器、SPWM控制模块以及负载，部分仿真参数已经图中给出，其余重要仿真参数包括：中频逆变器的开关频率为8kHz(本实施例的取值)、输出为115V/400Hz(本实施例的取值)的中频交流电压有效值。

搭建仿真模型后，本申请将传统采样方法与本申请所提出的方法进行了对比分析。

SPWM控制模块是由正弦波发生器、三角波发生器和S函数组成，S函数充当控制器的作用，将正弦调制波和三角载波信号进行处理，根据不同的采样方法进行编程，可得到四种不同的SPWM采样方法的输出，如图5所示。

图5(a)中为开关频率f

将切-割线中点逼近法的开关时刻比较值、三角载波和调制比M＝0.8的正弦调制波放在一个坐标系中进行比较，如图6所示。图6中三角波与正弦波的交点与所提方法的开关时刻比较值几乎重合，说明所提方法的采样结果与自然采样法几乎相同。

如前述，规则采样法是为了解决自然采样法计算困难而诞生的解决方案，是自然采样法在数字电路中实现的一种方式，其目的是为了使得采样结果更加接近自然采样法。进一步验证规则采样法相对自然采样法的PWM输出误差，以自然采样法输出的脉宽为标准，其他采样方法输出的脉冲与自然采样法不相同的地方称为误差脉冲，载波比N＝20(本实施例的取值)时。计算出一个调制波周期内的N个开关周期的误差，如表1所示。计算一个调制波周期内的平均误差为：对称规则采样法误差为2.25％，不对称规则采样法误差为2.25％，切-割线中点逼近法误差为0.89％。表1中，每个开关周期内基于切-割线中点逼近法的误差都是最小，则说明切-割线中点逼近法采样结果精准度高于传统方法。

表1 输出脉冲误差表(单位：％)

为进一步分析切-割线中点逼近法在中频逆变电源中应用的可行性，在保持各参数不变的情况下，通过修改S函数程序只改变采样方法，将工程中常用的对称规则采样法和切-割线中点逼近进行对比。将对称规则采样法和切-割线中点逼近法输出负载端波形进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)分析，分析结果如图7所示。

以图7(a)切-割线中点逼近法总谐波失真率(total harmonic distortion，THD)为例，Fundamental(400Hz)＝181.6，表示400Hz基波幅值为181.6V，横坐标表示谐波次数，纵坐标表示各谐波的幅值；同理，Fundamental(400Hz)＝182.6，表示400Hz基波幅值为182.6V。仿真结果表明，基于切-割线中点逼近法的中频电源负载端波形的THD为2.64％，而对称规则采样法的中频电源负载端波形THD为3.99％。由此进一步说明，基于切-割线中点逼近法的SPWM采样输出波形在中频逆变电源中优于对称规则采样法。

一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述的一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法。

一种切线逼近法非对称规则采样SPWM调制设备，包括处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现所述的一种用于中频电源的不对称规则采样SPWM调制方法。

本发明的有益效果是：基于切-割线中点逼近法的输出波形的总谐波失真(THD)为2.64％，小于对称规则采样法的3.99％，现场工程试验结果表明，基于切-割线中点逼近法的波形质量明显优于对称规则采样法，同时降低了开关频率；能够有效克服对称规则采样法输出波形质量不高、开关频率高等缺点，理论分析和工程实践两个方面验证所提方法的准确性，并可广泛推广到中频电源实装领域。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。