專利名稱：一種程序正弦波的脈寬控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電源變頻控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種程序正弦波的脈寬
控制裝置。
背景技術(shù)：
在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，上世紀(jì)七十年代的功率開關(guān)器件僅有普通可控硅用 于工業(yè)逆變，由于可控硅存在價格高、不能自行關(guān)斷、工作頻率低等多方面的 不足，使逆變器[現(xiàn)稱變頻器]應(yīng)用發(fā)展受到了限制，在當(dāng)時可控硅逆變器的強 制換流非常困難，加上工作頻率太低，使逆變器性能大打折扣。隨著電力電子
技術(shù)進步和發(fā)展，以及BJT (電力晶體管)功率器件的出現(xiàn)，電力電子又有了 新的發(fā)展機會。尤其是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)功率器件的出現(xiàn)，進一步促 進了中小功率變頻器的發(fā)展，然而當(dāng)前變頻控制技術(shù)的發(fā)展就顯得有些滯后， 正弦波脈寬控制、電壓空間矢量控制、等幾項技術(shù)雖然有較好的性能表現(xiàn)，但 由于絕大多數(shù)都依賴計算機技術(shù)來實現(xiàn)，因此造價很高，且速度比較低，比較 適合大功率場合，用于小功率成本過高，各大IT制造商也推出了多種型號的由 大規(guī)模集成電路構(gòu)成的正弦波變頻控制芯片，但不論從造價、還是性能、都不 能滿足現(xiàn)代變頻需要，至使小功率變頻產(chǎn)品價格居高不下，阻礙節(jié)能變頻產(chǎn)品、 尤其是變頻家電的普及應(yīng)用。
目前運用較多變頻控制方式有l(wèi).正弦波變壓變頻式，2.正弦波脈寬調(diào)制 式(SP麗)。3.矢量變頻(磁鏈檢測式VC或電壓空間式)。
1. 正弦波變壓變頻式變頻器是早期使用的變頻方法，由于這種變頻方式采 用斬波調(diào)壓系統(tǒng)，將增加變頻器的制造成本，也因調(diào)壓系統(tǒng)壓降和消耗，降低 了電能利用效率。這種變頻方式也可采用可控硅整流調(diào)壓，但會造成電網(wǎng)諧波 污染、降低電網(wǎng)功率因數(shù)，這對保障供電質(zhì)量、提高用電效率，都是非常不利 的因素。因此在現(xiàn)代變頻產(chǎn)品中已極少被采用。
2. 正弦波脈寬調(diào)制式(SP麗)，由于SP麗變頻機制本身的三方面原因，不能有效地抑制高次諧波(1)在工程應(yīng)用中對SP畫波形生成往往采用規(guī)則采樣 法或?qū)Ｓ么笠?guī)模集成電路器件，并不能保證脈寬調(diào)制序列波的波形面積與各段 正弦波面積完全相等；(2)在實現(xiàn)控制時，為了防止逆變器同一橋臂上、下兩 器件的同時導(dǎo)通而導(dǎo)致直流側(cè)短路，當(dāng)同一橋臂上、下兩器件作互補工作時，
設(shè)置了一個導(dǎo)通時滯環(huán)節(jié)。時滯的出現(xiàn)不可避免地造成逆變器輸出的SP麗波形 有所失真(引自"交流調(diào)速系統(tǒng)"陳敏遜著)。(3) SPWM波形生成過程中將產(chǎn) 生N/2個導(dǎo)通時間不等的序列脈沖模擬正弦波，由于最寬與最窄脈沖之間相差 十幾至幾十倍，最窄脈沖的導(dǎo)通時間必須大于功率器件允許最小開通時間，正 因為最窄脈沖很窄，因此限制了載波比N的提高，載波比N越低，高次諧波成 分越高。低速特性越差，這就使SPWM的性能參數(shù)大打折扣(如圖l所示的上述 三種導(dǎo)通脈寬對比圖)。通過圖1的對比可以看出SP麗與ASP麗導(dǎo)通脈寬在相 同的載波比N 、和相同的的工作頻率H的情況下導(dǎo)通脈沖寬度存在比較大差距， 這是SPWM變頻控制的致命弱點之一，SP麗要消除序列脈沖中小于最小開通時 間、最小間歇時間的隱患性脈沖，是很困難的事情，采用單板機或大規(guī)模集成 電路專用芯片雖然解決了這個難題，但制造成本卻因此增加很多，這也是小功 率變頻產(chǎn)品、尤其變頻家電得不到普及的重要原因。
3.矢量變頻(磁鏈檢測式VC或電壓空間式)，本變頻方式有多種類型派生 控制模式磁鏈檢測式VC需要在異步電機定子線槽內(nèi)放置磁鏈檢測裝置，并輸 出信號控制矢量變頻器，在小功率變頻中無法采用這種變頻方式；電壓空間式 主要依靠現(xiàn)代計算機技術(shù)，通過對磁鏈電壓信號的檢測并進行運算、分析、而 形成控制模式，這種方法是一種非常好的變頻方式。但只能用節(jié)能不節(jié)錢來形 容，究其原因還是價值規(guī)律起了作用。就以空調(diào)為例，同是1P機，變頻與定頻 價格卻高了一千多元，超過50%以上，人們自然要算計一下，1P機年耗電600 度，開支300元，按節(jié)能20%算，年節(jié)約60元。二十年收回投入成本，實在 太不合算。主要受變頻控制器造價過高的影響，應(yīng)用在小功率變頻器中產(chǎn)品售 價很難讓消費者接受。
通過對現(xiàn)有變頻技術(shù)進行的系統(tǒng)分析，上述幾種產(chǎn)品存在性價比問題，致使小功率變頻產(chǎn)品價格居高不下，阻礙節(jié)能變頻產(chǎn)品、尤其是變頻家電的普及 應(yīng)用。
"程序正弦波的脈寬控制"(ASP麗)通過控制脈沖的導(dǎo)通和關(guān)斷來模擬正 弦波形，而且這種導(dǎo)通和關(guān)斷是經(jīng)過精確計算和嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計的，并可隨時進行修 正和優(yōu)化，脈寬控制則是通過對脈沖占空比的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，兩者既相互獨立，
又非常容易協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。既可實現(xiàn)了同步無級變頻，又保證變頻器必須的V/F 曲線的精確性，經(jīng)過之后的發(fā)明實踐檢驗，選擇這種變頻方式是正確的。因此 ASPWM變頻技術(shù)比SPWM變頻技術(shù)，性能參數(shù)更優(yōu)越，造價更低廉。ASPWM變頻 技術(shù)的性能參數(shù)可以和矢量變頻相媲美，但造價卻有天壤之別。這就為小功率 變頻器的發(fā)展、變頻家電的普及奠定基礎(chǔ)。也為ASP麗變頻技術(shù)向中功率變頻 及汽車變頻電器的延伸創(chuàng)造了優(yōu)越條件。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品存在性價比問題，致使小功率變 頻產(chǎn)品價格居高不下，阻礙節(jié)能變頻產(chǎn)品、尤其是變頻家電的普及應(yīng)用的不足 而提供一種程序正弦波的脈寬控制裝置。其特征在于，所述程序正弦波的脈寬 控制裝置的"Cp"信號輸入端分別和0-503環(huán)形計數(shù)器和聯(lián)合控制器連接； 0-503環(huán)形計數(shù)器通過地址信號線A0-A8循環(huán)地同正弦波數(shù)據(jù)存貯器EEPR0M連 接；正弦波數(shù)據(jù)存貯器再經(jīng)I03—I08和總控制器連接；聯(lián)合控制器輸出的一路 經(jīng)脈寬信號控制器和總控制器連接；另一路經(jīng)二進制譯碼器經(jīng)過A9—A11連接 至正弦波數(shù)據(jù)存貯器，正弦波數(shù)據(jù)存貯器又通過101—102和微分變換電路進行 信號連接，微分變換電路接至脈寬信號控制器；該脈寬信號控制器再與總控制 器連接。
所述聯(lián)合控制器由"頻率檢測"、"脈沖寬度"及"載波比N"聯(lián)合組成。 所述總控制器包括ASPWM信號調(diào)測和光電耦合隔離輸出裝置構(gòu)成。 本實用新型的有益效果是ASPWM變頻方式，有一個非常特殊的特性，只要 載波比N確定下來，功率開關(guān)導(dǎo)通時間就固定不變，你可以任意變換變頻器工 作頻率，都不影響這個時間常數(shù)。當(dāng)你改變載波比N，時間常數(shù)也隨之改變。正是這個特性，使ASPWM變頻方式非常容易控制，我的發(fā)明就是利用這個特性， 構(gòu)成了一塊簡單、實用的ASPWM變頻控制板；本控制系統(tǒng)有一套簡單、實用、
便于調(diào)整、且絕對線性的電壓補償電路。確保電動機低頻運行扭矩的恒定。本
系統(tǒng)頻率變換很方便，改變"Cp"頻率，正弦波頻率既可改變。本變頻器是程 序正弦波技術(shù)與脈寬調(diào)制[PWM]技術(shù)的完美結(jié)合，基頻以下工作模式為ASP麗狀 態(tài)，但進入基頻以上將自動轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛘也üぷ鞑Ｊ?。由于本變頻器的上 述特點，使得正弦波變頻技術(shù)變得更實用、更簡單、更可靠、更高速、更廉價，
最有利于中小功率變頻器的推廣。

圖1為SPWM、電壓空間式、ASPWM三種導(dǎo)通脈寬對比圖。
圖2為ASP麗變頻器在不同頻率、不同載波比N脈沖對比圖。
圖3為ASP觀變頻器組成及控制方案示意圖。
圖4a為ASPWM變頻器雙面線路板正面示意圖。
圖4b為ASP麗變頻器雙面線路板背面示意圖
圖5為脈寬信號調(diào)制電路原理圖。
圖6為ASPWM變頻器雙面線路板II原理圖。
圖7為0-503環(huán)形計數(shù)器原理圖。
圖8為總控制器電路原理示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種程序正弦波的脈寬控制裝置。在圖3所示的ASPWM變 頻器示意圖中，該裝置的"Cp"信號輸入端分別和0-503環(huán)形計數(shù)器和聯(lián)合控 制器連接；0-503環(huán)形計數(shù)器通過地址信號線A0-A8循環(huán)地同正弦波數(shù)據(jù)存]C 器EEPROM連接；正弦波數(shù)據(jù)存貯器再經(jīng)103—108和總控制器連接；聯(lián)合控制 器輸出的一路經(jīng)脈寬信號控制器和總控制器連接；另一路經(jīng)二進制譯碼器經(jīng)過 A9—A11連接至正弦波數(shù)據(jù)存貯器，正弦波數(shù)據(jù)存貯器又通過101—102和微分 變換電路進行信號連接，微分變換電路接至脈寬信號控制器；該脈寬信號控制 器再與總控制器連接。程序正弦波的脈寬控制裝置的原理為從"Cp"端輸入控制脈沖， 一路經(jīng)
由CD4011、 CD4040、 CD4068構(gòu)成的0-503環(huán)形計數(shù)器(如圖7所示)，經(jīng)地址 信號AO—-A8循環(huán)地為正弦波數(shù)據(jù)存貯器(由EEPROM 2817A擔(dān)任)輸入0-503 地址，EEPR0M根據(jù)地址讀出正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)103—108將正弦波數(shù)據(jù)輸送紿總 控制器同時又經(jīng)101—102將信號輸送紿微分變換電路至"脈寬信號控制器"用 來控制脈寬信號的開通，該脈寬信號再輸送總控制器，與此同時"Cp"端控制 脈沖輸入的另 -路信號輸送紿"頻率檢測"、"脈沖寬度"及"載波比N"聯(lián)合 控制器處理后，分兩路分別輸送給脈寬信號控制器和二進制譯碼器，"頻率檢測" 則根裙"Cp"的頻率向ROM發(fā)送相應(yīng)地址區(qū)域指令； 一路進入上述脈寬信號控 制器，另一路進入二進制譯碼器后，經(jīng)過A9—A11進入正弦波數(shù)據(jù)存貯器， EEPR0M向"ASPWM信號調(diào)測"輸送與"Cp"頻率相對應(yīng)正弦波數(shù)據(jù)；"頻率檢 測還會為脈寬信號控制器輸送與"Cp"頻率相對應(yīng)數(shù)據(jù)，"脈寬信號控制器" 根據(jù)此數(shù)據(jù)為ASP麗信號控制提供脈寬數(shù)據(jù)；然后"正弦波數(shù)據(jù)"與"脈寬 數(shù)據(jù)"在總控制器中，對兩路信號進行信號調(diào)測，ASP麵信號調(diào)制由TLP-521A X2擔(dān)任，對兩個同步信號進行調(diào)制處理，便形成與整塊控制板相互隔離的功 率器件驅(qū)動信號，輸出ASPWM控制信號，總控制器輸出l一6路(如圖8所示) ASPWM控制信號至功率器件控制極。
所述功率器件的通斷控制，由在"程序正弦波的脈寬控制"工作狀態(tài)下的 導(dǎo)通脈寬公式計算
S通^ {1+ (50XN) )Xl(f微秒；S斷^ (50—F工)+ (50XNXF工)} X1(T微秒；其中S通、S斷分別為功率器件的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間；F,:為 變頻器工作頻率；N:載波比；(式中，"50"為電網(wǎng)頻率單位為赫滋)；所述
Cp端輸入的控制脈沖-變頻器工作頻率M最高載波比N。
載波比N: (1) H=5-11,N=504; (2)H二l卜23， N:252; (3):〗=23-46， ， N二126; (4)H=46-150，N=72 . VHDL微程序地址區(qū)域分布是A{0—503} B{512—1015} C {1024—1527} DU536—2039};
通過上述公式計算出與載波比N相對應(yīng)的導(dǎo)通脈寬為在N504時，S=39. 68微秒；在N252時，S=79. 36微秒；在N126時，S =158. 72微秒；在N72時， S二277. 76微秒；在N36時；S二555. 52微秒；若將N設(shè)置為1008來提高低頻性能。
但在存儲器空間利用方面唯有N二504這組最高達(dá)98. 44%，所以昔選了 N=504這組； 所述變頻器工作頻率是3-300H百倍頻程變頻；其中包括5H-50H 10倍頻程檔 和5H-150H30倍頻程檔，該程序共分五段完成變頻器的全程同步控制，這個范 圍完全能夠滿足小功率變頻器、變頻家電的變頻技術(shù)要求。
ASP麗"程序正弦波的脈寬控制"方案確定后，進行了復(fù)雜數(shù)據(jù)驗算及和 單元電路實驗工作。實踐證實本構(gòu)思是正確的。本裝置共計使用ll塊通用小規(guī) 模數(shù)字集成電路和阻容器件，安裝在圖4所示的兩層雙面線路板上。其中頻率 檢測由74LS123X2、 74LS175構(gòu)成(如圖5所示)，74L123為雙可再觸發(fā)單穩(wěn) 多諧振蕩器；74LS175為4D觸發(fā)器。圖6中NE555、 CD4016構(gòu)成脈寬信號調(diào)制 電路。C- (1-4) R- (H)組成了頻率比較器，由頻率檢測檢測"Cp"
頻率并向數(shù)據(jù)存貯器傳送地址區(qū)域指令，同時為脈寬控制器傳送脈寬數(shù)據(jù)。 NE555與C- (A-A3) R-A組成了可再觸發(fā)單穩(wěn)多諧振蕩器，CD4016為4路雙向 模擬開關(guān)根據(jù)頻率比較器(74LS175) 1-4D端的數(shù)據(jù)適時接通C- (1-4)變
換定時脈沖寬度并為總控制器提供脈寬數(shù)據(jù)。
本控制器的工作電源電壓5V、功率器件控制電壓18V。兩組電源均由功率 板自P-1、 P-2導(dǎo)入控制器。時脈沖脈沖CP自P-l輸入，補償調(diào)節(jié)由P-2輸入， 在進行小批量工業(yè)實驗生產(chǎn)中完成了 VHDL微程序的優(yōu)化。
ASP麗變頻技術(shù)全部采用數(shù)字技術(shù)，但整個線路均采用小規(guī)模通用數(shù)字電 路芯片、和32K只讀存儲器、即可實現(xiàn)ASP麗變頻控制。正因為取締大規(guī)模集 成電路芯片、高運算速度的CPU、和大容量的儲存系統(tǒng)，所以大幅度降低了制 造成本，由于ASP麗變頻技術(shù)省略了繁雜運算過程，提高了運行速度，因此可 滿足IGBT等高頻功率器件的控制的需要。ASPWM以簡潔的線路，獨有數(shù)學(xué)理論 為基礎(chǔ)，形成全新的正弦波變頻的控制方案。在性價比上ASPWM技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 上述各種變頻技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種程序正弦波的脈寬控制裝置，其特征在于，所述程序正弦波的脈寬控制裝置的“Cp”信號輸入端分別和0-503環(huán)形計數(shù)器和聯(lián)合控制器連接；0-503環(huán)形計數(shù)器通過地址信號線A0-A8循環(huán)地同正弦波數(shù)據(jù)存貯器EEPROM連接；正弦波數(shù)據(jù)存貯器再經(jīng)IO3-IO8和總控制器連接；聯(lián)合控制器輸出的一路經(jīng)脈寬信號控制器和總控制器連接；另一路經(jīng)二進制譯碼器經(jīng)過A9-A11連接至正弦波數(shù)據(jù)存貯器，正弦波數(shù)據(jù)存貯器又通過IO1-IO2和微分變換電路進行信號連接，微分變換電路接至脈寬信號控制器；該脈寬信號控制器再與總控制器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述程序正弦波的脈寬控制裝置，其特征在于，所述聯(lián) 合控制器由"頻率檢測"、"脈沖寬度"及"載波比N"聯(lián)合組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述程序正弦波的脈寬控制裝置，其特征在于，所述總 控制器包括ASP麗信號調(diào)測和光電耦合隔離輸出裝置構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述程序正弦波的脈寬控制裝置，其特征在于，所述 0-503環(huán)形計數(shù)器為二進制九位式。
專利摘要本實用新型公開了屬于電源變頻控制技術(shù)領(lǐng)域的一種程序正弦波的脈寬控制裝置。該裝置的“Cp”信號輸入端分別和0-503環(huán)形計數(shù)器和聯(lián)合控制器連接；0-503環(huán)形計數(shù)器通過地址信號線A0-A8、正弦波數(shù)據(jù)存貯器、再經(jīng)IO3-IO8和總控制器連接；聯(lián)合控制器輸出的一路經(jīng)脈寬信號控制器和總控制器連接；另一路經(jīng)二進制譯碼器經(jīng)過A9-A11連接至正弦波數(shù)據(jù)存貯器，又通過IO1-IO2和微分變換電路進行信號連接，微分變換電路接至脈寬信號控制器；該脈寬信號控制器再與總控制器連接。在總控制器中，對兩個同步信號進行調(diào)制處理，輸出ASPWM控制信號驅(qū)動功率器件，本實用新型簡單、可靠、成本低，有利于中小功率變頻器的推廣。
文檔編號H02M7/48GK201222698SQ20082010879
公開日2009年4月15日 申請日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者馬慶文 申請人:馬慶文