SPWM信号发生器的设计.docx
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SPWM信号发生器的设计
SPWM信号发生器的设计
（安阳师范学院物电学院，河南安阳455000）
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。
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；
关键词：
SPWM；ICL8038；死区延时；CD4538
1前言
1.1课题简介
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PWM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。
1.2电力电子简介
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。
1.3设计内容和要求
1.3.1主要内容：
1.设计一个能产生两路SPWM信号的系统，为逆变主电路提供控制信号；
2.产生的SPWM波带有几微秒的死区时间；
3.制做相关电路及装置；
4.结合逆变主电路进行整体调试；
1.3.2主要技术指标：
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；
2.基本技术指标：
生成两路SPWM信号；
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。
2系统方案论证
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：
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+PLUSII软件。
采用此方案价格较贵，不符合性价比的要求。
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。
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SPWM
波形以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；
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信号波的原理及软件仿真实现。
3仿真结果
3.1载波和调制信号波的protues仿真
信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：
三角波仿真原理图
仿真阶段经过多次参数调整，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：
三角波仿真波形图
正弦波仿真原理图
仿真阶段经过多次参数调整，当选择以上各参数时（C1取400—2000pf）得出50HZ正弦波形较为理想，以下是仿真结果：
正弦波仿真波形图
3.2SPWM信号波的multism仿真
4模拟电路产生SPWM电路设计
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。
4.1PWM控制的基本原理
PWM（PulseWidthModulation）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）。
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（SinusoidalPWM）波形。
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。
4.2PWM调制方式
在PWM控制电路中，载波频率ｆｃ与调制信号频率ｆｒ之比N=ｆｃ/ｆｒ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。
异步调制的主要特点是:
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,PWM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。
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。
同步调制的主要特点是:
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。
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。
4.3PWM逆变电路的谐波分析
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。
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，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。
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，Wc>>Wr,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。
4.4SPWM信号产生电路
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
图2CD4538的管脚和功能表
图3SPWM信号产生电路
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。
图4仿真输出波形
4.5过电流保护电路
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。
图5.过电流保护电路
4.6直流稳压电源电路
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。
图6+/-15V的直流稳压电源原理图
5重要芯片介绍
电压比较器选取为LM311
该LM311的电压比较器设计运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。
图7LM311内部封装
图8LM311电气特性：
单片集成函数发生器ICL8038
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：
可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：
+10～+30V，双电源（+V）（V-）：
±5V～±15V。
图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。
8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如图所示。
管脚功能：
112SINADJ1，SINADJ2正弦波波形调整端。
通常SINADJ1开路或接直流电压，
SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。
2SINOUT正弦波输出
3TRIOUT三角波输出
4，5DFADJ1，DFADJ2输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。
通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。
6V+正电源
7FMBIAS调频工作的直流偏置电压
8FMIN调频电压输入端
9SQOUT方波输出
10C外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比
11V-负电源端或地
13，14NC空脚
6系统电路的调试
6.1调试仪器
TDS1002型60MHZ10GS/s双通道数字存储示波器，高精度数字万用表，直流稳压电源。
6.2调试方案
（1）电路测试
其测试步骤如图13所示
图10电路测试步骤图
（2）指标测试与数据记录
①基本要求测试
测试结果如表1所示
表1.基本要求测试
功能测试
测量结果
理论结果
相对偏差绝对值
载波（三角波）的频率
基本实现
0.001HZ-500KHZ
无
调制信号波（正弦波）的频率
基本实现
50HZ
无
SPWM波的死区时间
1-4μs
2-4μs
80%
②发挥部分测试
测试结果如表1所示
表2.发挥部分测试
功能测试
测量结果
理论结果
相对偏差绝对值
实现对主电路的保护
不明显
能够实现
略有偏差
程控调节信号频率
无实现
可以实现
其它
6.3结果分析
系统在测量输出电压方面指标达到题目的基本和发挥部分要求，在输出滤波电路中还存在一些问题，我们会在以后的设计中加以改进。
6.4SPWM电路原理图
图11载波和调制信号波产生电路
6.5PCB图
图12载波和调制信号波PCB
图13SPWM信号PCB
结束语
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；过流保护就是电流过大是使其输出产生高电平，用其控制驱动信号关断，以达到保护开关管的目的。
最终通过调试实现了设计基本要求和部分发挥要求。
通过这次专业课程设计是我们学会了理论与实践的有效结合，锻炼了我们的动手能力及分析问题和解决问题的能力，为我们以后的工作和学习奠定了良好的基础。
参考文献
[1]王兆安.电力电子技术（第4版），机械工业出版社.
[2]陈坚.电力电子学（第2版）,高等教育出版社.
[3]张一工，肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用,科学出版社.
致谢
在本次毕业设计的完成过程中得到了陈永超指导老师的悉心指导。
正是因为他的循循善诱、及时的答疑解惑、不断传授和讲解与课题相关的新知识，才使本次毕业设计按时完成。
老师严谨的治学态度，先进的科研方法使我受益匪浅，这将对我今后工作、学习具有重要的指导作用。
同时，本次毕业设计还得到了许多老师、同学、室友的大力支持，在此我一并向他们致以诚挚的感谢。
SPWMsignalgeneratordesign
ZhouGuoLiang
（anyangnormaluniversity,henanelectricinstituteofanyangthings455000）
Abstract：
Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronictechnology,invertercircuitsinreallife,themoreimportantishighlightedincontroltechnologySPWMinverterspeedcommunicationanduninterruptablepowergainedextensiveapplication,andobtainedwidelyandsuccessfullyapplied.
ThissystemUSEScomparativeandoscillatingcircuittoproduceacertaindeathzoneofSPWMinverter,tosignalwavesignalcircuitprovidesdriver.UsinganalogcircuitstoproduceacertaindeathzoneofSPWMsignal,systemmainlyconsistsofSPWMproducecircuitmodulecircuitandprotection,andCD4538ICL8038componentstodivisionoftheoscillatingcircuitcomposedandproducedbysinglechipSPWMsignalgeneratorICL8038integratedfunctionasthecore,thefirstfrequencycan500KHZrangefrom0.001speedtothetriangleandthesinewavechangesLM311integratedoperationalamplifier,throughcomparingFeiMencangetthroughatwowaycomplementarysymmetryofSPWMwave.InordertomakethewaveofSPWM
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