1 引言
目前，有關(guān)逆變器及控制方法的研究工作主要是針對電壓型逆變器 (voltage source inverter，簡稱vsi)，對電流型逆變器(current source inverter，簡稱csi)研究還較少。這不僅是因為通常的電力能源例如發(fā)電機、電網(wǎng)和蓄電池等均屬于電壓源，而且vsi中的儲能元件電容器與csi中的儲能元件電感器相比，儲能效率和儲能元件的體積、價格都具有明顯的優(yōu)勢。但是，隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電流型變流器中電感的儲能效率問題得到了很好的解決。電流型逆變器的直流電源經(jīng)大電感濾波，直流電源可近似看作恒流源。和vsi相比，csi也具有自己的特點和獨特的優(yōu)勢，它便于實現(xiàn)四象限運行，而且工作更加穩(wěn)定，輸出電流更容易控制等;抑制過電流能力強，特別適合用于頻繁加、減速的啟動型負載;在驅(qū)動交流電機負載時，csi輸出電流為矩形波，輸出電壓近似為正弦波;在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，由于csi直流側(cè)電壓可以迅速改變，ψm變化快，從而使調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)比較快，而且便于實現(xiàn)回饋制動。因此，在電力傳動、有源濾波(apf)、無功補償(bbb)以及電力系統(tǒng)中，csi應(yīng)用將會越來越廣泛。
通常，電流型逆變器的三相pwm控制信號產(chǎn)生方法比電壓型要復(fù)雜得多，目前有關(guān)研究和應(yīng)用較少，現(xiàn)有的帶有pwm信號產(chǎn)生功能的各種專用集成電路、單片機、dsp等，在國內(nèi)外幾乎毫無例外地都是為電壓型pwm控制而設(shè)計的，無法直接應(yīng)用于電流型三相pwm控制。根據(jù)這一現(xiàn)狀，本文研究利用80c196mc單片機的內(nèi)置pwm波形發(fā)生器硬軟件資源，提出一種基于80c196mc單片機實現(xiàn)的電流型逆變器三相pwm控制方法——“梯形半折分段調(diào)制法”，通過新穎的編程技巧和資源配置，將本來僅適用于電壓型pwm控制的單片機及波形發(fā)生器，用以實現(xiàn)三相電流型pwm控制。對有關(guān)的波形配置理論和編程設(shè)計方法進行分析。通過樣機實驗結(jié)果證實了該方法的可行性及優(yōu)良的波形效果。
2 電流型pwm控制信號產(chǎn)生原理
圖1 梯形pwm控制波形調(diào)制原理
三相電流型逆變器對其三相pwm控制信號的要求，與電壓型逆變器有很大差異，最為突出的一點是3個半橋的上橋臂開關(guān)管之間，任何時刻只能且必須僅有一只管導(dǎo)通，以保證直流側(cè)電流的連續(xù)性和正常的輸出電流波形。這也是電流型三相pwm控制比電壓型復(fù)雜的重要原因。因此，通常需要采用圖1所示的梯形調(diào)制原理來產(chǎn)生電流型pwm控制信號。在一個逆變周期中既是1/4周期對稱，同時也是1/2周期對稱，并且半個周期的中間60°不進行調(diào)制。本文提出的梯形半折分段調(diào)制法在整個半周期中pwm調(diào)制波形關(guān)于n/2中心對稱。為了便于分析，需要把0~ 
這半個周期均分成三段來看。中間部分（/3~2/3）不進行脈寬調(diào)制，功率開關(guān)保持導(dǎo)通；0~/3和2/3~
進行脈寬調(diào)制，并且調(diào)制波形是對稱的。0~/3這段時間內(nèi)也是關(guān)于/6這個點中心互補對稱。本文基于80c196mc中波形發(fā)生器wfg(wave bbbb generator)的工作原理，為便于該單片機實現(xiàn)，將圖1中所示梯形波從半腰中點往下翻折，從而調(diào)制波幅度減半，并使該調(diào)制波幅度與載頻三角波等高，如圖2所示，即稱作“梯形半折分段調(diào)制法”。利用80c196mc中wfg實現(xiàn)時，需要設(shè)置在0~/6和5/6~期間內(nèi)高電平有效，調(diào)制波只和不翻折的載波部分比較；中間/6~5/6低電平有效，翻折的調(diào)制波只和翻折的載波部分比較。圖2所示為梯形半折分段調(diào)制法的7脈沖pwm波的具體實現(xiàn)方案，其中載頻比是36。將調(diào)制波在0~平均分成6段，那么每段調(diào)制波包含n個完整的載波周期，那么半周期產(chǎn)生的pwm脈沖數(shù)為m=2n+1。在梯形半折分段調(diào)制法中n為奇數(shù)，所以當n=3時，半周期pwm的脈沖數(shù)m=7；當n=7時，m =15。
圖2 易于單片機實現(xiàn)的調(diào)制波形的產(chǎn)生原理
圖3 結(jié)構(gòu)框圖
3 單片機控制方法
80c196mc內(nèi)置的波形發(fā)生器wgf具有3個同步的pwm模塊，能產(chǎn)生三對同載波、同操作方式、等死區(qū)時間，但脈寬相互獨立的pwm波形。能以載波頻率重載脈寬等數(shù)據(jù)，并向cpu定時提出中斷申請。wfg具有四種操作方式，常用的是中心對準方式0。wfg的功能配置及脈寬調(diào)制是通過設(shè)置其專用寄存器來完成的:控制寄存器wg_con定義wfg的操作方式，并設(shè)置死區(qū)時間;輸出配置寄存器wg_out定義wfg各引腳的有效狀態(tài);wg_reload設(shè)置三角載波頻率;相比較緩沖寄存器wg_compx(x=1，2，3)設(shè)置各相脈沖寬度;保護寄存器wg_protect配置wfg的保護功能。逆變脈沖變頻的實現(xiàn)就是在wfg的專用寄存器中設(shè)置wg_reload以產(chǎn)生合適的載波頻率。本方案選用80c196mc單片機的中心對準的工作方式0 (m1=0，m2=0)。
電流型pwm逆變器主電路及控制框圖如圖3所示。逆變部分通過pwm控制各橋臂開關(guān)器件的通斷，根據(jù)不同的通斷組合及通斷周期來實現(xiàn)輸出頻率的變化及輸出波形的改善。本文介紹的梯形半折分段調(diào)制法，利用80c196mc單片機實現(xiàn)的關(guān)鍵部分是找到離散化后的調(diào)制波在數(shù)據(jù)表中的存儲單元，利用這些存儲單元作為設(shè)置單片機中wgf輸出波形高低有效的切換點。正如圖2所示，wfg在0～/6和5/6～期間內(nèi)高電平有效，中間/6～5/6低電平有效。在一個周期中，wfg在0～/6、5/6～7/6和11/6～2期間內(nèi)高電平有效，在/6～5/6和7/6～11/6期間內(nèi)低電平有效。所以在每個周期中需要對wfg在/6，5/6，7/6，11/6各點進行高低電平有效的設(shè)置。也就是說利用80c196mc實現(xiàn)時，關(guān)鍵是找到圖2中調(diào)制波對應(yīng)/6，5/6，7/6，11/6 在存儲單元中的位置。下面是利用切換點進行波形高低有效設(shè)置的部分子程序:
cmp sin_ptr1,#12
jlt gaoxiao2
cmp sin_ptr1,#60
jlt dixiao2
cmp sin_ptr1,#84
jlt gaoxiao2
cmp sin_ptr1,#132
jlt dixiao2
cmp sin_ptr1,#144
jlt gaoxiao2
對文本提到的7脈沖pwm，調(diào)制波在一個周期中取72個點。按上面的編程思路，b、c兩相(已得到的是a相的控制波形)調(diào)制波的點分別從第48個點和第24個點開始取。對于多脈沖的pwm，如果一個周期中取a相調(diào)制波點的個數(shù)為，通過數(shù)學計算可以得到b、c兩相調(diào)制波分別從第
個點和第
個點開始取。這樣就可以得到相位相差120°的三路連續(xù)的pwm控制信號。為了得到同一相上下兩個開關(guān)的控制信號，利用單片機的p5.4，p6.6，p6.7產(chǎn)生三路方波。以p5.4為例，生成方波的部分子程序如下:
cmp sin_ptr,#2
jge l1
sjmp fu1
l1: cmp sin_ptr,#74
jlt zheng1
sjmp fu1
zheng1:ldb al,p5_reg[0]
orb al,#10h
sjmp u_phase_end
fu1: ldb al,p5_reg[0]
andb al,#0efh
相對應(yīng)的由wfg產(chǎn)生的三路pwm每一路和三路方波的每一路經(jīng)過gal16v8組合，再通過實驗用到的驅(qū)動電路延時后，每一路pwm生成兩路控制信號，分別控制同一相上下兩橋臂開關(guān)器件的通斷，如圖4所示。
圖4 vt1，vt4的控制信號
4 實驗結(jié)果
對同一相上下兩橋臂開關(guān)器件(以vt1，vt4為例)，三相上橋臂三個開關(guān)(vt1，vt3，vt5)器件以及vt1，vt4，vt6三個開關(guān)器件的通斷做如下分析。由圖4可以看出在vt1調(diào)制導(dǎo)通期間，vt4始終保持關(guān)斷;在vt4調(diào)制導(dǎo)通期間，vt1始終保持關(guān)斷。再經(jīng)過延時，使得vt1先導(dǎo)通vt4后關(guān)斷，或者是vt4先導(dǎo)通vt1后關(guān)斷，如圖5所示。這樣就可以做到開關(guān)動作期間的先通后斷。由圖6可以看出vt1，vt3，vt5按相位依次滯后120°導(dǎo)通，任何時刻只有一個器件導(dǎo)通。如圖7所示，vt1導(dǎo)通期間，vt6、vt2分別輪流導(dǎo)通，時刻保證給電流提供一個通路。為了有效地抑制由于電機電流躍變引起的漏感電勢尖峰，實驗中還采用了rc吸收電路如圖3所示，得到較好的作用效果。
圖5 vt1，vt4開通次序
圖6 vt1，vt3，vt5的控制信號
圖7 vt1，vt6，vt2的控制信號
圖8 電機兩相的輸出電流波形
5 結(jié)束語
基于梯形波和三角波比較產(chǎn)生pwm的方式，經(jīng)過有效的波形翻折變形，得到易于單片機實現(xiàn)的“梯形半折分段調(diào)制法”。利用80c196mc單片機的片內(nèi)波形發(fā)生器wfg產(chǎn)生控制三相電流型逆變器的pwm控制信號，再通過其他的外圍電路，最后產(chǎn)生6個pwm控制信號來分別控制逆變器的6個功率開關(guān)。這樣得到的電機兩相輸出電流的波形如圖8所示。當逆變器的輸出頻率較低時，電機的轉(zhuǎn)矩脈動較大，此時適當增加pwm脈沖數(shù)可以達到減小電機轉(zhuǎn)距脈動的目的。實驗結(jié)果表明本文提出的梯形半折分段調(diào)制法切實可行。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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