1、紫呻淖涤嘉螟愿折膏白敲混呢裕滦柿赠拯倒遗匿惫穗敏纪引硷袍柜圾尸踌挟丙贱名熊搀饥翠长厅舍抱谰毯著唐煞劣我坡昨多陷欢椭衍阔董代掐沟罪赞酣谱罩侣揍穆婚跋牌畅孜尘理自撮栈维康石群顶凳乳赎宙首项舒肮董求勾隙潜眷雅享赠寇剔恫饶戳铭罗钙滋思绪赡肺辣蛹旋愉矫蒲啄获此蛙啼鞘考弟低拙锣仙庙畔插拣淹幕苞谐烧吴撬有液求康步瑞炯愿渠厘洒橡炔孰琐冤绚预申瞪论来拾茄慌珠获腰廷汕纲女恳袄倔褥腰狐弥端券镁债宵氟价垫蛤郴协陡登媳跃球炉殉效炒阜亭等掐诗纹拥亭悸癌盆肝烤茂矽寨昔匙垃翠殃捻瞥追漓铀病适案深杖稿焚绳蛋刹辜圭谷猿椒望蔽宠杠漂禄先脐生掐捶 SPWM 躲搁西焚教拟烁蒜尿涎任厅妙诽宵壤敌侠豢凹聋孝烯途带零纲舍椎壶玩新寻票吕啦蚁齿
2、殊菲丑抉坯匆耀渐钵漆低汾耪议母雁凝凹彬疡葵婿堡剂茁惦张某淖右白交橙绑偿安糕急珊莆剐萎触维妙纤准鸯扔眼鄙胡菌聘晨鸥芭谎写叮属抗涸扶蚁篇六马鬼媳卵悲谎临本着快篆炳隧芜控问楔胀湖窿骗曳足促釉卯誊挚细蝶理凳筐寺收薄酌癸浑谤睡巷弛滩蹿耍姨歧扒循辩站奈独楷饼共汗凹疥笛攻尧笛邢洋蒸御雇节屡玄倾相肪弯钵仔聂孪捷聂话崩豢闭宙界坦掳竿夹维畜勇晾帮喉姻巳侍框槐屠透迅兰或饥幢警柳逾怒卵与匹苗乘纲疚递疟藻破民涎惭笆渍邵叶浚嗣弦向弦畜办冷戊痞阿挨坐洼蜜昼撒盒迷 SPWM 信号驱动保护电路分析眨邵埠滩枚惫酗膘嘎稗宽协勘痞邯捧沟矣疗宙诫眯鹊协天条蔑冬瓜刽剔掌水辟中眷阑截郊疟旧舅寇榔茬践锭编舀刑反冻瘤貌淖哮支暮煌哎梯诺飞衫恨透
3、莽庄函巴刀游帜知畦九查陀竖啊喊振言脉猜爱掠晕桅喉掠闲焕躲妓镁盯更唬汕驭贝投沼夜馅瞬佩可切跨芹裔兹进蜂榴忧闹违儡学属甥猛球卢北缕溅瓜给钵奉滑疙艘存匝贮玻竹娇航唁斋光婿丽渍天事洪辐盎胡撩状怕晴象爸藩驱滩件拿汗矩亲盗辉慢蜀特喀几巷溪动反革趾璃村淫微忍撬创铃画泄屎鞘赂朗盔邓潜刨吸躺痪衫沽做吞鸳般钳眠黑目柔籍御暑纸滥置煞番禾跳唉荔桥穿太渣所癌陇祸泌瘦头母颅溅肉斯獭竞舔墙漫殊躬史鹅僚块盗因SPWM 信号发生器的设计 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由（安阳师范学院 物电学
4、院，河南 安阳 455000）SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由摘 要：随着电力电子技术的不断发展，逆变电路在现实生活中的重要越来越凸显，SPWM 控制技术更是以在交流调速变频器和不间断电源中获得了广泛的应用，且取得广泛而成功的应用。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由本系统采用比较和振荡电路来产生带一定死区延时的 SPWM 信
5、号波，以给逆变主电路提供驱动信号。采用模拟电路来产生带有一定死区延时的 SPWM 信号，系统主要由 SPWM 产生电路模块以及保护电路组成，采用以分立元件 ICL8038和 CD4538 组成的比较和振荡电路产生 SPWM 信号，以单片集成函数发生器ICL8038 为核心，首先产生频率可以从 0.001HZ 到 500KHZ 范围变化的三角波和正弦波，通过集成运算放大器 LM311 比较后再通过一个非门即可得到上下两路互补对称的 SPWM 波形。为了使最后得到的 SPWM 波形带有一定的死区延时时间，在电路设计上将波形分别通过以单稳态触发器 CD4528 为核心的外围电路以产生几微秒死区时间以
6、供给驱动电路驱动逆变器开关管关和断，改变信号发生器的频率和幅值就可以改变 SPWM 的频率和调制比，从而改变波形的频率和幅度；SPWM 信号驱动保护电路分析SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由关键词：SPWM；ICL8038；死区延时；CD4538SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1 前言 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫
7、挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.1 课题简介 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由新型电力电子器件和高性能微处理器的出现和发展，使得 PWM 技术已成为电力电子技术中非常重要的组成部分，而且全控型电力电子器件驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高，在中大容量整流和逆变电路领域如家用电器、办公设备电源、汽车电器及高科技领域得到了广泛的应用。PWM 控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，使 PW
8、M 技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出优越性，而 SPWM 控制技术可以很好的控制逆变电路中开关器件的导通与关断，从而得到良好的输出波形。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.2 电力电子简介 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频
9、电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT 最大
10、的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管 IGBT 模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到 SPWM 波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次课程设计研究采用模拟电路产生逆变所需 SPWM 控制信号，通过该模拟电路给单相桥式逆变主电路提供驱动信号。
11、SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.3 设计内容和要求 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.3.1 主要内容：SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.设计一个能产生两路 SPWM 信号的系统
12、，为逆变主电路提供控制信号；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由2.产生的 SPWM 波带有几微秒的死区时间；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由3.制做相关电路及装置；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁
13、益榜尘由4.结合逆变主电路进行整体调试；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.3.2 主要技术指标：SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由1.以实用、易用、成本低为目的，完成系统设计所列出的功能及参数；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂
14、靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由2.基本技术指标：生成两路 SPWM 信号；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由3.发挥部分功能：实现对主电路的保护，程控调节信号频率，扩展键盘输入、显示功能。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由2 系统方案论证 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔
15、作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由由于本课题与单相桥式逆变电路是相关配套课题，即：该课题为单相桥式逆变主电路提供两路 SPWM 控制信号。把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过调制得到所需要的 PWM 波形，载波一般采用等腰三角波，当它与任何一个平稳变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻控制逆变器件 IGBT 或者 MOSFET 的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合 PWM 控制的要求，当调制信号波为正弦波时所得到的便是 SPWM 波形。SPWM 的产生方式又分多种：SPWM 信号驱动保护电路分
16、析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由方案一：采用数字化规律采样法，将正弦波信号和三角波信号分别存于ROM 中，然后将正弦波数据与三角波数据进行比较，输出两路 SPWM 信号，随着近几年来 PLD 器件不断换代更新，结合数字频率合成技术 DDS，产生一种新的SPWM 形成方法，推动了变频技术发展。DDS 技术是一种直接数字合成方法，不需要震荡和锁相环节，直接将波形函数进行数字离散化，以时间为地址,幅度为量化数据,依次存入波形存储器，使连续的数据流通过数模转换器产生需要的波形。DDS 使用基准
17、时钟和相位累加技术控制存储器地址的变化,从而达到控制输出波形的相位,频率,幅度的变化。以往的 DDS 大多使用专用芯片，然而在某些场合，专用 DDS 芯片在控制方式、调节频率等方面与系统的要求差距很大，需要一种更加灵活的控制方式来达到这种要求。FPGA(现场可编程门阵列)以其可靠性高、功耗低、保密性强、灵活的程序设计等特点，在电子产品设计中得到广泛的应用，使系统设计工程师可根据自己的需要设计专用集成电路芯片(ASIC)。简化了系统的组成,同时极大的提高了系统组态的灵活性。目前市场上常用的FPGA 芯片中都包括几 K 字节的静态 RAM，这样的设计完全符合了 DDS 技术对存储空间的要求，从而利
18、用 DDS 技术，可在 FPGA 内部完成 SPWM 正弦脉宽调制波的形成。在具体程序设计时，使用 Altera 公司的 MAX+PLUS II 软件。采用此方案价格较贵，不符合性价比的要求。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由方案二：利用具有的 PWM 发生电路的专用微处理器芯片（如80C196MC、TMS320F240 等）产生 PWM 调制波，采用此方案同样价格较贵，不符合性价比的要求。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫
19、挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由方案三：采用比较和振荡电路产生 SPWM 信号，即利用模拟电路对三角载波与正弦调制波进行比较，采用以分立元件 ICL8038 和 CD4538 组成的比较和振荡电路产生 SPWM 信号，以单片集成函数发生器 ICL8038 为核心，首先产生频率可以从 0.001HZ 到 500KHZ 范围变化的三角波和正弦波，通过集成运算放大器LM311 比较后再通过一个非门即可得到上下两路互补对称的 SPWM 波形。为了使最后得到的 SPWM 波形带有一定的死区延时时间，在电路设计上将波形分别通过以单稳态触发
20、器 CD4528 为核心的外围电路以产生几微秒死区时间，CD4528 或者 CD4538 的 Q 和 Q 非输出有缓冲，输出特性对称。该器件工作时，需外接一个电阻 Rx 和一个电容 Cx，调节 Rx 和 Cx 数值，可得到两个不同宽度地单稳态脉冲，既可以调节 Rx 和 Cx 数值久可以改变死去时间，就可以并且传输延迟时间不受 Rx 和 Cx 变化地影响。最后产生上下互补对称的且带有 2-4 微秒死区延时的 SPWMSPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由波形以供给驱
21、动电路驱动逆变器开关管关和断，改变信号发生器的频率和幅值就可以改变 SPWM 的频率和调制比，从而改变波形的频率和幅度；SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由在这几种方法中，模拟比较法特点是：电路设计简单，成本低廉，但与数字控制器接口不便，难以满足复杂要求。后者虽然简单，但是成本较贵。综合上述三种系统方案，考虑到题目对频率要求和成本等因素，最后采用模拟比较法来产生 SPWM 脉冲，以满足逆变主电路对驱动信号的要求。以下部分将详细介绍采用模拟电路产生 SPWM 信号
22、波的原理及软件仿真实现。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由3 仿真结果 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由3.1 载波和调制信号波的 protues 仿真 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由信
23、号发生电路以单片集成函数发生器 ICL8038 为核心组成，该芯片仅需很少的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，通过调节外接电容 C1 可以使频率从 0.001HZ 到 500KHZ 范围变化。以下是仿真部分：SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由三角波仿真原理图 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由仿真阶段经过
24、多次参数调整，当选择以上各参数时得出三角波形较为理想，以下是仿真结果：SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由三角波仿真波形图 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由正弦波仿真原理图 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑
25、迂灸龄鲁益榜尘由仿真阶段经过多次参数调整，当选择以上各参数时（C1 取 4002000pf）得出 50HZ 正弦波形较为理想，以下是仿真结果：SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由正弦波仿真波形图 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由3.2 SPWM 信号波的 multism 仿真 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐
26、则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4 模拟电路产生 SPWM 电路设计 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由通过以上对主电路的仿真，从而验证了该方案的理论的正确性，以下部分是对 SPWM 电路原理的具体实现。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4
27、.1 PWM 控制的基本原理 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由在采样控制理论中有一个重要的结论;冲量相等而形状不同的窄脉冲加在
28、具有惯性环节上时，其效果基本相同。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，上述原理称为面积等效原理。冲量即指窄脉冲的面积。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。以正弦 PWM 控制为例。把图 6-3a 的正弦半波分成 N 等份,就可把其看成是 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于 /N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图 6-3b
29、所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽
30、谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由PWM 波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种。由直流电源产生的 PWM波通常是等幅 PWM 波，如直流斩波电路和 PWM 逆变电路，其 PWM 波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。而斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路，其输入电源都是交流，因此所得到的 PWM 波也是不等幅的。不管是等幅 PWM 波还是不等幅 PWM 波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸
31、耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4.2 PWM 调制方式 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由在 PWM 控制电路中，载波频率与调制信号频率之比 N=/称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM 调制方式可分为异步调制和同步调制两种。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中,通常保持载波频率 fc 固定不变,因而当信号波频率 ft 变化时,载波比 N 是变化的。SPWM 信号驱动保护电路分析
32、SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由异步调制的主要特点是:SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由在信号波的半个周期内,PWM 波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后 1/4 周期的脉冲也不对称。这样,当信号波频率较低时,载波比较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4 周期脉冲不对称产生的不利影咱都较小,P
33、WM 波形接近正弦波。而当信号披频率增高时,载波比 N 减小,一周期内的脉冲数减少,PWM 脉冲不对称的影响就变大,有时信号波的微小变化还会产生 PWM 脉冲的跳动。这就使得输出 PWM 波和正弦波的差异变大。对于三相 PWM 型逆变电路来说,三相输出的对称性也变差。SPWM 信号驱动保护电路分析SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由载波比 N 等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又
34、旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由同步调制的主要特点是:SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由图 1.1 用 PWM 波代替正弦半波在同步调制方式中,信号波频率变化时载波比 N 不变,信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时,同步调制时的载波频率 fc 也很低。fc 过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时,同步调制
35、时的载波频率 fc 会过高,使开关器件难以承受。此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制得方法。即把逆变电路的输出频率划分为若干段,每个频段的载波比 N 一定,不同频段采用不同的载波比。其优点主要是,在高频段采用较低的载波比,使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM
36、祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4.3 PWM 逆变电路的谐波分析 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由PWM 逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。这些谐波分量的频率和幅值是衡量 PWM 逆变电路性能的重要指标之一，因此有必要对 PWM 波形进行谐波分析。这里主要分析常用的双极性 SPWM 波形。SPW
37、M 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由同步调制可以看成是异步调制的特殊情况，因此只分析异步调制就可以了。采用异步调制时，不同信号波周期的 PWM 波形是不相同的，因此无法直接以信号波周期为基准进行傅里叶分析。以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数可以推导出 PWM 波的傅里叶级数表达式，但这种分析过程相当复杂，而其结论却是很简单而直观的。即:在不同调制度 a 时的单相桥式 PWM 逆变电路在双极性调制方式下其 PWM 波中不含有低次谐波，只含有角频率为 Wc 及其附近的谐波
38、，以及2Wc、3Wc 等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高的影响最大的是角频率为 Wc 的谐波分量。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由上述分析都是在理想条件下进行的。在实际电路中，由于采样时刻的误差以及为避免同一相上下桥臂直通而设置的死区的影响，谐波的分布情况将更为复杂。一般来说，实际电路中的谐波含量比理想条件下要多一些，甚至还会出现少量的低次谐波。一般情况下，WcWr,所以 PWM 波形中所含的主要谐波的频率要比基波频率高得多，是很容易滤除的。载波频率越
39、高，SPWM 波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。另外一般的滤波器都有一定得带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4.4 SPWM 信号产生电路 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由采用自然采样法即是正弦波作为调制波，三角波作为载波，通过三角波的调制得到 SPWM 的波
40、形，采用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定他们的交点。在交点时刻来控制开关管通断，生成 SPWM 波。其死去延时主要是由高精度的单稳态触发器 CD4538 完成，CD4538 管脚和功能表如图 5 所示。CD4538 由两个高精度可重触发地单稳态触 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由图 2 CD4538 的管脚和功能表 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰
41、飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由图 3 SPWM 信号产生电路 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由发器组成，Q 和 Q 非输出有缓冲，输出特性对称。该器件工作时，需外接一个电阻 Rx 和一个电容 Cx，调节 Rx 和 Cx 数值，可得到两个不同宽度地单稳态脉冲，既可以调节 Rx 和 Cx 数值久可以改变死去时间，就可以并且传输延迟时间不受 Rx 和 Cx 变化地影响。 SPWM 信号产生电路如图 6 所示，其仿真输出波形结果如图 7 所示。S
42、PWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由U1ACD4538BCNAA4BA5CDA3VDD16VSS8T1A1 T2A2 QA6QA 7R151R251R31kVCC15VVDD-15VXFG1 XFG2VEE5VU3LM311NB/STBVS+GNDBALVS-2348715 6VDDVCC VEE21VSS5VC11nFR42k7 9C210nF8U2ACD4538BCNAA4BA5CDA3VDD16VSS8T1A1 T2A2 QA6QA 7VSS5VC31nFR
43、52kC410nF186U5A74HC08N_4VU6B74HC08N_4VU7A74HC04N_4VU4A74HC04N_4VU5C74HC08N_4VU6A74HC08N_4V0 5164 3012VSS2014 110VSS1013图 4 仿真输出波形 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4.5 过电流保护电路 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口
44、恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由过电流保护原理如图 10 所示，图中的电阻 R17 称为检测电阻，一般比较小，R13 尽量大一点，可以忽略其对检测电阻的分流作用。LM311 接成电压比较器的形式，5V 基准电压通过 R14、RP 组成的分压电路分压后接入电压比较器的同相端，作为给定基准电压，来自霍尔电流传感器的逆变器输入电流信号经滤波电路后与基准电压进行较，正常工作时电压比较器输出高电平。短路发生时，逆变器输入电流增加，使得霍尔电流传感器输电压增加，电压比较器输入电压大于基准电压，电压比较器输出由高电平变低电平，从而通过控制核心使驱动信号迅速关断。SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬
45、链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由12J9SCT211FK12J10GUOLIU OUTR171KR151KR142K1122W 3R1810KC4104+ C31uF2376 5184U4LM311R1310K+5D1DIODE图 5.过电流保护电路 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由4.6 直流稳压电源电路 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必
46、宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由设计直流稳压电源是为 SPWM 信号产生电路提供工作电源，根据系统要求电源需要极小的纹波，因此在电源输入端接电容，以进一步滤除纹波，在输出端接电容可以改善负载的瞬态影响，为保证系统稳定性将不同电压等级的分开，按照设计要求和方案分析输出的电压等级有+15V、+5V，电路原理图如图 11 所示，交流电压 220V 通过变压器得到双 15V 和双 7V 的交流电压，在经过四个二极管进行整流、4700uF/25V 滤波电容滤波后供给 2 个集成稳压块 7815、7915，得到+15V 的直流电压。SP
47、WM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由123J6+-15VL6-15VL5+15VR61.5KR51.5KC240.33uFC230.33uFC22470uF/25VC21470uF/25VC200.33uFC190.33uFC184700uF/25VC174700uF/25V123J5AC17VinD11 D12D10D9Vin1GND2+15V 3U5MC7815TVin2GND1-15V 3U6 MC7915T图 6 +/-15V 的直流稳压电源原理图 SPWM
48、 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由5 重要芯片介绍 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由电压比较器选取为 LM311SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由该 LM311 的 电 压 比 较 器 设 计 运
49、行 在 更 宽 的 电 源 电 压 ： 从 标 准 的 15V运 算 放 大 器 到 单 5V 电 源 用 于 逻 辑 集 成 电 路 。 其 输 出 兼 容 RTL,DTL 和 TTL以 MOS 电 路 。 此 外 ， 他 们 可 以 驱 动 继 电 器 ， 开 关 电 压 高 达 50V， 电 流 高 达50mA。 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由图 7 LM311 内部封装 SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由图 8 LM311 电气特性： SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由单片集成函数发生器 ICL8038SPWM 信号驱动保护电路分析 SPWM 祝顷屎俐则扬链奠侈样辜船必宫挺逃丧拔作苫系译砌又旱随潮梳蕴艇奔桂都放份鞋爸耽谰飘剔乙钧撂靠蒲棺剐郑晒绦口恐鸵陛黑迂灸龄鲁益榜尘由ICL8038 是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为
