2022年SPWM数字化自然采样法的理论及脉冲误差分析 .pdf
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1、第 26 卷 第 9 期中国电机工程学报Vol.26 No.9 May 2006 2006 年 5 月Proceedings of the CSEE?2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号:0258-8013(2006)09-0131-06 中图分类号:TM464 文献标识码:A 学科分类号:470?40 SPWM 数字化自然采样法的理论及脉冲误差分析毛惠丰1,陈增禄1,任记达2,施杰2,姚伟鹏2(1.西安交通大学,陕西省西安市710049;2.西安工程科技学院,陕西省西安市710048)Theory and Pulse Error Study of Digital N
2、atural Sampling based SPWM MAO Hui-feng 1,CHEN Zeng-lu1,REN Ji-da2,SHI Jie2,YAO Wei-peng2(1.Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,Shaanxi Province,China;2.Xi an University of Engineering Science and Technology,Xi an 710048,Shaanxi Province,China)ABSTRACT:According to the basic principle of natural
3、sampling and diagrammatic analysis,the effect of SPWM pulse error induced by digitization is analyzed in detail,furthermore,analytic expression of pulse error is obtained.Pulse error formed by sampling period T1and analog-digital bit n1and count period T0 for counter of carrier wave come into being
4、the equivalent of pulse error.T1is main error fountain for pulse error.The effect of pulse error for n1 and T0 is neglected.The results show the main approach of minishing pulse error is to shorten T1 and augment B.The principle of the proposed method is simple,easy to realize,and its characteristic
5、 is rapid in response and high in precision as SPWM digital natural sampling based on FPGA.Digital natural sampling based SPWM overcomes the disadvantage which is hard to apply to multilevel-inverter of high modulation frequency and high precision synchronously for microprocessor realizing SPWM wave
6、form.KEY WORDS:sinusoidal pulse width modulation;natural sampling;pulse error analysis;field programmable gate anay;multilevel-inverter 摘要:根据 SPWM 数字化自然采样法的基本原理,借助图解分析方法,研究了三种误差源对SPWM 输出脉冲误差的影响,得出脉冲误差宽度的解析表达式。等效的脉冲误差由采样周期T1、模数转换器位数n1和三角载波计数器计数周期 T0三者共同作用而产生的。T1是产生脉冲误差的主要误差源。n1和 T0对 SPWM 输出脉冲误差的影响可以忽
7、略。分析结果表明,减小脉冲误差的主要途径 是缩短T1和增大 载波比 B。基于 FPGA 的 SPWM 数字化自然采样法具有原理简单,实现容易,响 应快精 度高等优点。SPWM 数字化自然采样法 克服 了微处 理器 实现 的 SPWM 波形很难 同时应 用于高调制频率和高精 度的 多电平逆变 器中的 缺点。关键词:正弦 脉宽 调制;自然采样法;脉冲误差分析;现场可编程门阵列;多 电平逆变 器0 引言SPWM控制技术 是逆变 器研究和 应用领域 的核心技术之一1。自然采样法是目前最好 的一种SPWM实现 方法1-2。但是,自然采样法适合于 用模拟电路来实现。随着微 电子技术 的快速发展,基于微处
8、理器串行 程序流 的 SPWM 实现 方法 已成为主流3-5,但由于其受状态 周期和 内部定时 器时钟频率 的限制很难应 用于高调制频率 和高精 度的多电平逆变 器中6-11。文献 12提出了基 于 DSP 和 FPGA的多路 SPWM 实现方法,弥补 了常规芯 片不能 实现多逻辑 PWM 的缺陷。数字化自然采样法是用数字电路实现 自然采样法的方法13-14。文献 13对 SPWM 数字化自然采样法波 形生成方法 进行了研究。文献 14对采样周期T1引起 的 SPWM 输出脉冲误差 进行了定性分析,并研究了脉冲 竞争产生的机理 及其消除方法。本 文将进一步分析采样周期T1,模数转换器位数n1,
9、三角载波的计数器计数周期T0三者对产生SPWM 输出脉冲误差的影响。分析结果表明,数字化自然采样法的 调制 效果可以和自然采样法的调制 效果 相逼近。SPWM 数字化自然采样法易于用 FPGA 来实现。将数字化自然采样法与载波 移相 SPWM 技术相结合,用 FPGA 实现 用于单 相电压型五 电平逆变 器的 8 路 SPWM 波形。最后,进行实 验研究。1 SPWM 数字化自然采样法1.1 基本原理图 1 为 SPWM 数字化自然采样法9-10的原理示意 图。PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 6 页
10、 -132 中国电机工程学报第 26 卷时钟电路数字化三角载波 发生器数字化比较器C0(t)SPWM 输出正弦调制 波模数转换坐标 平移S1(t)S0(t)S2(t)us(t)图 1 SPWM 数字化自然采样法示意图Fig.1 ketch of SPWM digital Natural sampling1.2 数字化三角载波生成利用一 个 n0位无符号加 减计数器的 循环加 减计数 来产生 阶梯 状的数字化三角载波。设 P 为数字化三角载波的峰值;T0为计数器的 时钟 周期,Tc为三角载波周期,三者之间的 关系 为02cPTT=(1)C0(t)为数字化三角载波 发 生器的输出,它是 一个无量纲
11、二进制数。uc(t)为与 C0(t)相对应的模 拟 三角载波(其峰值 为 b)。相关各量 有如下关系 式0qb P=(2)ucq(t)()00Ctq=?(3)以上各 式中,q0为数字化三角载波的量化单 位,也为数字化三角载波的量化误差;ucq(t)为与 C0(t)相对应的量化特性曲线。ucq(t)和 uc(t)之间的关系见 图 2所示。图中,当 T0趋于无穷 小时,P 趋于无穷 大,ucq(t)即趋 于 uc(t)。0tT0Tcuc(t)ucq(t)图 2 ucq(t)和 uc(t)的关系图Fig.2 Relation of ucq(t)and uc(t)1.3 数字化正弦调制波生成采用 双极
12、性n1位模数转换器对模拟正弦调制波 us(t)进行采样,模数转换器的输出为数字化 正弦调制 S0(t),它是 一个 n 位有符号 数。相关各量关系如下()()refref+sin 2,ssutaf tUaU?-=+(4)11refref()/2nqUU+-=-(5)111(),(1 2)()(1 2)sqxsxutiqiqutiq=-+(6)01()()xsqxS tutq=(7)001()(),xxxS tS ttttT=+(8)01()()squtS tq=?(9)以上各 式中,fs为正弦调制 波频率;a 为正弦调制 信号的峰值;q1为量化单位(q1/2 为数字化 正弦调制波的 量化误差)
13、;Uref+和 Uref-分 别为模数转换器的 正负(对称)参考 电压;us(tx)为模拟正弦调制 波在 tx处的采样 值;usq(tx)为 us(tx)的量化特性曲线在tx处的幅值;S0(tx)为对 usq(tx)量化以 后的无量纲 数字 量(用整数 i 表示);T1为采样周期(f1为采样 频率);S0(t)和 usq(t)分别表示与S0(tx)和 usq(tx)相对应的经阶梯化处理后的连续时间函 数。对数字化三角载波与数字化 正弦调制 波进行比较,首先必须 对 S0(t)进行规格化处理和 坐标 平移。规格化处理使数字化 正弦调制 波的 取值范围 和数字化三角载波的取值范围相 同,其方程 为
14、110()(),2nS tkS tkP=(10)式中k 称为规 格化系数;n1为模数转换器的位数;P 为数字化三角载波的峰值。S1(tx)是一个有符号 数,C0(t)是一个无符号 数,坐标 平移使二 者的值域正好 重合,其方程 为21()()2StS tP=+(11)由式(10)和(11)可得,S0(t)的量化单位为 q1、S1(t)和 S2(t)的量化单位为 q0。显然,us(t)是与 S0(t)相对应的模 拟调制 信号;为下文分析方 便,用()sut 表示(由 us(t)经如上相 应的规格化和坐标 平移)与 S2(t)相对应的模拟调制 信号;用 usq(t)表示与S2(t)相对应的量化特性
15、曲线。2 脉冲误差分析2.1 T1的影响10()su t 与()cut 相比较产生理 想 SPWM 波形,即为 自然 采样 法。ucq(t)与usq(t)相 比 较产 生 实 际SPWM 波形,其为 数字化自然采样法。脉冲误差分析就是对 上述两 个 SPWM 波形的跳变沿进行对比分析。假设00T,即 ucq(t)=()tuc;1n ,即只考虑 T1对 SPWM 输出脉冲宽度误差的影响。图3示出了()su t 斜率为正时 的脉冲误差分析图。图中,t0,t1,t2,表示各采样 时刻点。e1表示实际 SPWM 波形与理想 SPWM 波形的下降沿之间的偏差。当实际波形的下降沿超 前于 理想波形的下降沿
16、 时,设 e1为正值,反之为 负。e2表示二 者上升沿之间的偏差。当实际波形的上升沿滞 后于理想波形的上升沿时,设 e2为正值,反之为负。Tp0和 Tp1分别表示理想SPWM 负脉冲宽度和 实际 SPWM 负脉冲宽度。有如下关系 式Tp1=Tp0()12ee+(12)由文献 10可知,当()sut 斜率为正时,e1和 e2的最大 可能取值范围 分别为BATe2011(13)PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 6 页 -第 9 期毛惠丰 等:SPWM 数字化自然采样法的理论及脉冲误差分析133()BAAT
17、e2012+(14)当()su t 的斜率为 负时,1e和2e的最大 可能取值范围 分别为()1120ATABe-+(15)1220ATBe-(16)以上各 式中,A=2a/b 为调制 深度;B=fc/fs为 载波比。T1t0t1t2t3t4理想SPWM 波实际SPWM 波us(t)uc(t)|e1|e2|TP1TP0usq(t)理想 SPWM 波实际 SPWM 波图 3 SPWM 脉冲误差分析图Fig.3 Analysis of pulse width error分析式(13)(16)可知:由于对 us(t)采样的 阶梯误差,当 us(t)的斜率为正时,使得由数字化自然采样法得 到的 SPW
18、M 输出波 形的负脉冲 变宽;当 正弦调制 信号 us(t)的斜率为 负时,使得其输出波 形 的负脉冲 变窄。最大 误差脉冲宽度 与模数转换的采样周期 T1成正比,与调制 深度 A 成正比,与载波 比B 近似成反比。减小脉冲误差的主要途径 是减小T1和增大 B。考虑到 式(13)与式(16)及式(14)与 式(15)的对 称性,由 T1引入的 调制 误差 为奇畸 变。2.2 T1和 n1共同作用的影响假设 ucq(t)=()tuc,模数转换器的位数n1较小。此时,模拟正弦调制 波)(tus与 其对应的量化特性曲线 usq(t)存在阶梯 误差(见图 4)。显然,当 T1和 n1共同作用 时,等效
19、的脉冲宽度误差是由T1有限 而产生的脉冲宽度误差与 n1较小而产生的脉冲宽度误差之叠加而成的。实际 SPWM 负脉冲宽度 为Tp1=()13ee+Tp0()24ee+(17)式中3e 和4e 是由 n1较小而产生的 偏差。3e 表示考虑 T1和 n1共同作用而产生的实际 SPWM 波形的下降沿 时刻at 与只 考虑 T1有限 而产生的 实际 SPWM波形的下降沿 时刻 tb之间的偏差。当 ta超 前于 tb时,3e 取正值;反 之取负值。4e 表 示考 虑 T1和 n1共同作用而产生的实际 SPWM 波 形的上升沿 时刻ct 与只考虑 T1有限 而产生的 实际 SPWM 波形的上升沿时刻dt
20、之间的偏差。当ct 超前于dt 时,4e 取负值;反之取正值。tktk+1T1(i-1)q1iq1(i+1)q1|e1|e3|1(a)实 际SPWM波理 想SPWM波q1/2)(tus()tuc)(tusq)(tusqatbttktk+1T1(i-1)q1iq1(i+1)q1|e2|2(b)理 想SPWM波实 际SPWM波|e4|q1/2)(tusq)(tus)(tusq()tucctdt理想 SPWM 波实际 SPWM 波实际 SPWM 波理想 SPWM 波图 4 SPWM 脉冲误差分析图Fig.4 Analysis of pulse width error图 4(a)中,当采样 值()sk
21、u t从()11iq-逐渐 增大到()11 2iq-时,3e 从 0 增大到122nCT+;当采样值()skut从()11 2iq-逐 渐 增 大 到1iq 时,3e 从122nCT+-增大 到 0。因此,3e 的取值范围 为2321122+-nCnCTeT(18)同理,可知4e 与3e 的取值范围相 同。可以证明,当正弦调制 波为减函数时,偏差3e和4e 的取值范围仍为112222nnCCTT+-,。分析以 上各 式可知,考虑到3e 和4e 极性的随机性,无论 d()/dsutt 大于 或小于零,43ee+的极性仍为随 机的。n1产生的 最大脉冲误差宽度 与“-n1”成指数关系,与载波周期T
22、c成正比。当 n1较大时(例如 n110),n1对 SPWM 脉冲误差的影响可以忽略。2.3 T0和 T1共同作用的影响假设 n1较大,其对脉冲宽度误差的影响可忽略不计,则 usq(t)与()sut 相比较只存 在与采样周期T1相对应的阶梯 误差。当考 虑数字化三角载波的计数PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 w 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 6 页 -134 中国电机工程学报第 26 卷时钟 周期0T 较大时,()cut 与 ucq(t)存在与0T 相对 应的阶梯 误差,见图 5 所示。显然,当 T0和 T1共同作用 时,等效的脉冲宽
23、度误差是由T1有限 而产生的脉冲宽度误差与 T0较大而产生的脉冲宽度误差之叠加而成的。T1tkT0(i-1)q0iq0(i+1)q0|e1|(a)理 想SPWM波实 际SPWM波|e5|)(tus()tucq()tuc)(tusqtk+1atbtT1T0(j-1)q0jq0(j+1)q0|e2|(b)理 想SPWM波|e6|实 际SPWM波tktk+1()tucq)(tusq)(tus()tucctdt理想SPWM波实际SPWM波理想SPWM波实际SPWM波图 5 SPWM 脉冲误差分析图Fig.5 Analysis of pulse width error由图 5 可知,实际 SPWM 负脉
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