三相桥式逆变器驱动波形发生器

摘要

本发明公开了一种三相桥式逆变器驱动波形发生器，用于解决现有信号发生器直流电压利用率低的技术问题。技术方案是包括上电复位模块、三相开关点预置PWM产生模块、三相单极性SPWM产生模块、三相PWM综合模块和死区延时模块。上电复位模块产生复位信号供给三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性SPWM产生模块，并分别产生三相开关点预置PWM和与外部电路给出的调制比相对应的三相单极性SPWM，产生的两种PWM同时送给三相PWM综合模块，综合后的PWM送给死区延时模块，产生最终带有死区的三相桥式逆变器驱动波形。由于含有三相开关点预置PWM产生模块，因此本发明具有与开关点预置PWM相同的最大直流电压利用率。

说明书

技术领域

本发明属于逆变器控制领域，特别是涉及一种三相桥式逆变器驱动波形发生器。

背景技术

三相桥式电压型逆变器具体是由六个开关器件构成的三个半桥，各相开关器件按 照一定的规律进行开通和关断，则可产生对应的交流电压。现有的三相桥式逆变器驱 动PWM波形发生方法中，最常用的是利用DSP(Digital Signal Processor，数字信号处 理器)或单片机内部集成的PWM产生模块产生占空比按一定规律变换的驱动波形，如 TI公司的TMS320F2812DSP芯片的事件管理器(EVA和EVB)就包含比较单元，在 使用时通过设置计时器的计数周期来决定PWM波的周期，实时更改比较寄存器的数 值就可以实现占空比的实时调节。利用这种方法很容易实现纯正弦调制SPWM波的产 生以及三次谐波注入SPWM波的产生，CPU的时间消耗非常小。但是对于调制方法 比较复杂的PWM波形，DSP单片机执行起来则需要占用大量的CPU时间。

参照图11。文献1“航空航天器供电系统，2005，p136-137”给出了一种开关点 预置PWM产生电路。该电路包括晶体振荡器、硬件计数器和EPROM模块。晶体振 荡器用于产生适当频率的时钟，送给硬件计数器模块，该计数器对输入时钟进行累加 计数，产生波形数据地址，送给EPROM波形数据存储模块，EPROM中存储开关点 预置波形数据，并根据输入的地址输出相应的数据，得到需要的开关点预置PWM波。 该电路产生的开关点预置PWM直流电压利用率可达1.03。

该开关点预置PWM波形产生电路结构简单，但需要合理选择晶体振荡器的参数， 且其该电路产生的开关点预置波的基波含量不能根据需要进行调节。

参照图12。文献2“申请公开号CN101865224A的中国发明专利”公开了一种基 于SVPWM调制方法的PWM信号发生器。该发生器包括脉宽调制启动模块、SVPWM 信号模块、过调制控制模块、分频器模块和死区延时模块。该发明在过调制时先通过 时间数据重构，再将时间信号转化为脉冲控制信号并对脉冲信号进行延时处理，以加 入死区时间。该发明基于FPGA实现了以上方案。

该SVPWM发生器是基于FPGA实现的，可进一步提高开关频率，在一定程度上 节省了DSP的时间开销，但是其输入参数需要在每个开关周期内更新一次，且三相开 关时间参数的计算、选择也需要消耗一定的CPU时间，因此提高开关频率的同时会增 加外部CPU的时间开销，且其直流电压利用率只能小于等于1。

发明内容

为了克服现有信号发生器直流电压利用率低的不足，本发明提供一种三相桥式逆 变器驱动波形发生器。该波形发生器包括上电复位模块、三相开关点预置PWM产生 模块、三相单极性SPWM产生模块、三相PWM综合模块和死区延时模块。上电复位 模块在系统开始工作时产生复位信号给三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性 SPWM产生模块，使其完成初始化；初始化完成后，三相开关点预置PWM产生模块 和三相单极性SPWM产生模块同时开始工作，分别产生三相开关点预置PWM和与外 部电路给出的调制比相对应的三相单极性SPWM，产生的两种PWM同时送给三相 PWM综合模块，完成两种PWM的综合，综合后的PWM送给死区延时模块，加入死 区时间，产生最终带有死区的三相桥式逆变器驱动波形。由于含有三相开关点预置 PWM产生模块，因此具有与开关点预置PWM相同的最大直流电压利用率；由于加入 了三相单极性SPWM产生模块，其调制比只需在一个基波周期内改变一次，降低了对 外部CPU的时间开销；利用单极性SPWM对开关点预置PWM的基波含量进行削减， 解决了开关点预置PWM调压困难的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三相桥式逆变器驱动波形发 生器，其特点是上电复位模块、三相开关点预置PWM产生模块、三相单极性SPWM 产生模块、三相PWM综合模块和死区延时模块。

上电复位模块，用于在系统上电时进行计数延时，产生一定时间的复位信号，使 整个电路完成初始化，该模块也可以认为是整个系统开始工作的触发信号；

三相开关点预置PWM产生模块，用于产生预先设定的开关点预置PWM波形；

三相单极性SPWM产生模块，用于产生与开关点预置PWM同频率/周期、且同 相位的单极性SPWM波形；

三相PWM综合模块，用于将三相开关点预置PWM波和三相单极性SPWM波进 行综合，实现两者的混合调制；

死区延时模块，用于根据用户给定的死区时间参数对综合后的三相PWM进行延 时处理，即完成同一桥臂上下两个开关管驱动波形死区的产生；

所述的上电复位模块在系统上电后开始计时，在计时数据未达到预先设定的阀值 时其输出保持为低，在计时数据达到预先设定的阀值时，将输出信号进行反相，即输 出信号变为高电平，触发后级模块，即三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性 SPWM产生模块，开始正常工作，同时三相单极性SPWM产生模块开始接收外部电 路输入的调制比参数；

所述的三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性SPWM产生模块工作时钟均 为系统时钟，保证两个模块工作周期同步；

所述的三相PWM综合模块对各相输入的开关点预置PWM和单极性SPWM进行 实时处理，实现两者的混合调制，其输出为六路两两互补的PWM波形；其综合逻辑 如下：在开关点预置PWM波的正半周，若开关点预置PWM波为低，则综合后为低； 若开关点预置PWM波为高，则单极性SPWM波为高时综合后为低，否则综合后为高； 在开关点预置PWM波的负半周，若开关点预置PWM波为高，则综合后为高；若开 关点预置PWM波为低，则单极性SPWM波为高时综合后为低，否则综合后为高；

所述的死区延时模块输入为六路两两互补的三相驱动PWM波，根据预先设定的 死区延时参数，按延时开通，按时关断的原则对六路信号进行延时处理。

本发明的有益效果是：该波形发生器包括上电复位模块、三相开关点预置PWM 产生模块、三相单极性SPWM产生模块、三相PWM综合模块和死区延时模块。上电 复位模块在系统开始工作时产生复位信号给三相开关点预置PWM产生模块和三相单 极性SPWM产生模块，使其完成初始化；初始化完成后，三相开关点预置PWM产生 模块和三相单极性SPWM产生模块同时开始工作，分别产生三相开关点预置PWM和 与外部电路给出的调制比相对应的三相单极性SPWM，产生的两种PWM同时送给三 相PWM综合模块，完成两种PWM的综合，综合后的PWM送给死区延时模块，加 入死区时间，产生最终带有死区的三相桥式逆变器驱动波形。由于含有三相开关点预 置PWM产生模块，因此具有与开关点预置PWM相同的最大直流电压利用率；由于 加入了三相单极性SPWM产生模块，其调制比只需在一个基波周期内改变一次，降低 了对外部CPU的时间开销；利用单极性SPWM对开关点预置PWM的基波含量进行 削减，解决了开关点预置PWM调压困难的问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明三相桥式逆变器驱动波形发生器的框图。

图2是包含三相桥式逆变器驱动波形发生器的逆变器控制系统结构图。

图3是图1中上电复位模块的工作波形图。

图4是图1中三相开关点预置波形产生模块内部结构框图。

图5是图1中三相开关点预置PWM产生模块的工作波形图。

图6是图1中三相单极性SPWM产生模块内部结构框图。

图7是图1中三相单极性SPWM产生模块的工作波形图。

图8是图1中三相PWM综合模块内部结构框图。

图9是图1中三相PWM综合模块的工作波形图。

图10是图1中死区延时模块的工作波形图。

图11是背景技术文献1开关点预置PWM波形产生电路的框图。

图12是背景技术文献2SVPWM信号发生器的框图。

具体实施方式

以下实施例参照图1-10。

本发明三相桥式逆变器驱动波形发生器包括上电复位模块、三相开关点预置PWM 产生模块、三相单极性SPWM产生模块、三相PWM综合模块和死区延时模块。

上电复位模块，用于在系统上电时进行计数延时，产生一定时间的复位信号，使 整个电路完成初始化，该模块也可以认为是整个系统开始工作的触发信号；

三相开关点预置PWM产生模块，用于产生预先设定的开关点预置PWM波形；

三相单极性SPWM产生模块，用于产生与开关点预置PWM同频率/周期、且同 相位的单极性SPWM波形；

三相PWM综合模块，用于将三相开关点预置PWM波和三相单极性SPWM波进 行综合，实现两者的混合调制；

死区延时模块，用于根据用户给定的死区时间参数对综合后的三相PWM进行延 时处理，即完成同一桥臂上下两个开关管驱动波形死区的产生；

所述的上电复位模块在系统上电后开始计时，在计时数据未达到预先设定的阀值 时其输出保持为低，在计时数据达到预先设定的阀值时，将输出信号进行反相，即输 出信号变为高电平，触发后级模块，即三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性 SPWM产生模块，开始正常工作，同时三相单极性SPWM产生模块开始接收外部电 路输入的调制比参数；

所述的三相开关点预置PWM产生模块和三相单极性SPWM产生模块工作时钟均 为系统时钟，从而保证两个模块工作周期同步；

所述的三相PWM综合模块对各相输入的开关点预置PWM和单极性SPWM进行 实时处理，实现两者的混合调制，其输出为六路两两互补的PWM波形；其综合逻辑 如下：在开关点预置PWM波的正半周，若开关点预置PWM波为低，则综合后为低； 若开关点预置PWM波为高，则单极性SPWM波为高时综合后为低，否则综合后为高； 在开关点预置PWM波的负半周，若开关点预置PWM波为高，则综合后为高；若开 关点预置PWM波为低，则单极性SPWM波为高时综合后为低，否则综合后为高；

所述的死区延时模块输入为六路两两互补的三相驱动PWM波，根据预先设定的 死区延时参数，按“延时开通，按时关断”的原则对六路信号进行延时处理。

本发明在对输入的调制比参数有确定的范围规定，一旦检测到接收到的参数超出 预先设定的范围，则认为本次接收的调制比数据无效，调制比仍然保持为上次接收到 的正常的调制比参数值。在确定了调制比参数后，产生对应的单极性SPWM波，和同 时产生的开关点预置PWM波经过三相PWM综合模块进行综合，再经过死去延时模 块对综合后的波形进行延时处理，避免了同一桥臂驱动信号同时为高电平的故障，从 而保证了系统的安全稳定运行。

图2为包含三相桥式逆变器驱动波形发生器的逆变器控制系统。该系统包含三相 桥式逆变电路、三相输出电压调理电路、DSP、三相桥式逆变器驱动波形发生器和驱 动电路。其中，A、B和C分别表示各相上下桥臂的中点，N表示三相负载的中性点， Udc表示直流母线电压。上述三相桥式电路的交流侧输出电压经过调理电路调理后送 至DSP，DSP输出表示单极性SPWM波调制比的参数给三相桥式逆变器驱动波形发 生器，三相桥式逆变器驱动波形发生器输出三相开关管的驱动波形给驱动电路，以控 制三相桥臂的通断状态。

在本实施例中，DSP型号为TI公司的TMS320F2812，在FPGA芯片中实现了本 发明的三相桥式逆变器驱动波形发生器，FPGA型号为ALTERA公司的 EP2C8Q208C8N。

下面就本发明各个模块具体实现方法进行详述。

上电复位模块用于在系统上电时进行计数延时，产生一定时间的复位信号，使整 个电路完成初始化。在系统上电配置完成后，复位模块开始工作，其内部的计数变量 count开始对系统时钟clk进行计数，计数值达到预设阀值(31)后，该模块输出信号 rst变为高电平，其余模块在rst变为为低电平的这段时间完成初始化。

参照图4和图5。三相开关点预置PWM产生模块内部主要包括三相波形地址产 生器和开关点预置波形数据表两部分，图4为其内部结构，三相波形地址产生器输出 三相波形地址给波形数据表，三相波形地址值互差1/3个周期，各相按对应的地址值 读取开关点预置PWM波形数据值进行输出，得到三相开关点预置PWM的波形：sw_a、 sw_b和sw_c。

参照图6和图7。三相单极性SPWM产生模块内部主要包括正弦波形地址产生器、 正弦数据表、乘法器、三角波发生器和比较器5个模块。正弦波形地址产生器产生三 个正弦波数据地址给正弦数据表，正弦数据表内部存储离散正弦波数据，为了方便电 路设计，每相的单极性SPWM波——sp_a、sp_b和sp_c均为两个正半周的波形，内 部采用高低电平——pha、phb和phc进行区分。正弦数据表据输入的三个地址分别输 出对应的正弦波形点的数据，送给乘法器模块，乘法器模块分别将接收到的三个数据 和DSP发送过来的调制比相乘，其结果送给比较器模块，比较器模块将三角波和接收 到的三个数据分别进行比较，得到三相单极性SPWM波形。

参照图8和图9。三相PWM综合模块主要进行逻辑处理，将三相开关点预置PWM 波和三相单极性SPWM波进行综合，得到混合调制后的输出波形pwm_a、pwm_b和 pwm_c。其内部主要为组合逻辑电路，其组合逻辑为：

参照图10。死区延时模块主要组成部分为一延时计数模块，如果输入波形为低电 平，则该模块输出为低电平；如果输入为高电平，则计数模块开始对输入的系统时钟 clk进行计数，在计数值未达到预设的阀值(25)时，该模块输出依然为低电平，在达 到计数阀值后，该模块输出才跳变为高电平，从而产生的死区时间为计数阀值个系统 时钟周期。如果输入的高电平持续时间小于预设的死区时间，则输出不会产生高电平， 即该模块会滤掉持续时间小于预设死区时间段的高电平窄脉冲。