SPWM数字化自然采样法的谐波仿真分析

2020-03-19 来源：小奈知识网

西安工程科技学院学报

JournalofXi’anUniversityofEngineeringScienceandTechnology

　第20卷第3期(总79期)2006年6月Vol.20,No.3(SumNo.79)　

　　文章编号:16712850X(2006)0320329205

SPWM数字化自然采样法的谐波仿真分析温宗周,毛惠丰(西安工程科技学院电子信息学院,陕西西安710048)

摘要:根据SPWM(SinusoidalPWM)数字化自然采样法的基本原理,利用MATLAB软件对其进行谐波仿真分析.通过改变调制度、载波比和采样频率3个参数的大小,得出数字化自然采样

法的频谱分布情况,并验证了数字化自然采样法输出波形中附加的一个直流分量.当采样频率比较高时,数字化自然采样法的频谱分布与自然采样法的频谱分布类似.通过对3种采样法的基波幅值和输出电压总谐波失真度(THD)的仿真比较,得出当载波比较小时,数字化自然采样法的调制效果明显优于规则采样法的调制效果,而与自然采样法的调制效果比较接近;当载波比增大时,三者的调制效果趋于一致.

关键词:SPWM;数字化自然采样法;自然采样法;规则采样法;THD中图分类号:TM464　　文献标识码:A

0　引　言

SPWM控制技术已被广泛应用于电力电子逆变电源中.理论上,提高开关频率可以减小逆变电源输

出波形的谐波,改善波形质量.但是,开关频率的提高会进一步增加功率器件的开关损耗.在较低的开关频率下,为了降低逆变电源输出波形的谐波畸变,各种SPWM控制策略相继提出,并被广泛应用.现有的SPWM控制方法可分为优化法[124](如自然采样法)和便于工程实现的规则采样法[5].优化法主要用于消除低次谐波或者降低总谐波畸变率.规则采样法不能进一步消除低次谐波和降低总谐波畸变率,但因工程实现方便而被广泛应用.

文献[6]和[7]提出了数字化自然采样法的基本原理及其实现方案,并取得了较满意的结果.该方法与自然采样法和规则采样法既存在相似性,又有区别.本文在文献[6]和[7]的基础上,对数字化自然采样法的SPWM输出波形进行了谐波分析.利用文献[6]得出的有关脉冲误差的结论,就3个参数的变化分别对数字化自然采样法输出谐波的影响进行了仿真研究.当采样频率比较高时,得出了数字化自然采样法与自然采样法的频谱分布情况.随着载波比的增大,仿真了数字化自然采样法、自然采样法和规则采样法对基波电压利用率和总谐波畸变率的变化情况,并给出了仿真结果.

1　SPWM采样法

数字化自然采样法、自然采样法和规则采样法可统称为SPWM采样法.图1给出了3种SPWM采样法.本质上,自然采样法是一种模拟的方法,通过比较调制波与三角载波的幅值,决定其SPWM输出波形(如图1(a)所示);理论上它具有无限高的时间分辨率,但由于自然采样法要实时求解三角载波和正弦调制信号的自然交点,因而不宜在微控制器中实现.规则采样法是在任意一个载波周期内有规则地对调制波

　　收稿日期:2006203213

　　通讯作者:温宗周(19622),男,陕西省岐山县人,西安工程科技学院讲师.E2mail:xgkwen@163.com

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进行采样,中心对称规则采样法(如图1(b)),利用采样值的大小决定SPWM输出波形.由于脉冲宽度与采样值存在线性关系,因此规则采样法宜在微控制器中实现.

数字化自然采样法是以较高的采样频率对调制波进行采样,将采样值与载波幅值进行比较,从而决定其SPWM的输出波形(如图1(c)).这样来诠释数字化自然采样法似乎欠妥,但与规则采样法不同的是,数字化自然采样法的采样频率不受载波频率的限制,其随意性较大.由文献[6]分析可知,数字化自然采样法的采样频率应足够高,才能使其和自然采样法的调制效果相逼近.该方法宜在可并行处理的FPGA/CPLD中实现.

　　　　　(a)自然采样法　　　　　　　　　(b)中心对称规则采样法　　　　　　　(c)数字化自然采样法

图1　SPWM采样法

2　参数变化对谐波的影响及频谱分析

由于对正弦调制波采样存在阶梯误差,此阶梯误差总是等价于一个滞后效应,因而相对于自然采样法得到的SPWM输出波形,当正弦调制波的斜率为正时,数字化自然采样法得到的SPWM输出波形的负脉冲变宽;当正弦调制波的斜率为负时,数字化自然采样法得到的SPWM输出波形的负脉冲变窄.与自然采样法的开关点相比较,数字化自然采样法产生的最大误差脉冲宽度与采样频率fC成反比,与调制深度A近似成正比,与载波比近似成反比.2.1　调制度对谐波的影响通常调制度A在0～1之间变化,以调节输出基波电压的幅值.仿真中为了反映调制度A变化对数字化自然采样法得到的SPWM输出波形畸变程度的影响,暂定载波比B和采样频率fC较小.设直流母线电压为100V.图2给出了调制度A分别为0.6和0.9的输出电压仿真频谱.其中,调制波频率为1kHz,载波频率为8kHz(B为8),采样频率fC为20kHz.

　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图2　输出电压频谱

在载波比和采样频率fC较小的情况下,调制度A大小的变化会直接影响脉冲误差的大小并进而影响

SPWM输出波形.从图2看出,调制度A越大,输出波形中附加的直流分量越大.

第3期　　　　　　　　　　　　SPWM数字化自然采样法的谐波仿真分析2.2　载波比对谐波的影响

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为了更明显地反映载波比对SPWM输出波形的畸变程度的影响,取调制度A为0.9,采样频率fC为20kHz进行仿真.图3给出了调制频率为1kHz,载波比B分别为8和16的输出电压仿真频谱.

　　　　　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图3　输出电压频谱

从图3看出,载波比较小时,输出波形中附加的直流分量较大;载波比较大时,输出波形中附加的直流

分量明显减小,实际上载波比的增大正好削弱了调制度大和采样频率小(从原理分析可知)对直流分量的影响;同时,载波比的增大会进一步降低SPWM输出波形中的低次谐波分量.2.3　采样频率对谐波的影响

图4(a),4(b)分别给出了采样频率分别为20kHz和50kHz的输出电压仿真频谱.其中,调制度A为0.9,调制频率为1kHz,载波比B为8.从上面分析可知,较大的调制度和较小的载波比会加大SPWM输

出波形的直流分量.从图4看出,当采样频率也较小时,三者将使直流分量加大;当采样频率较大时,可以削弱调制度大和载波比小对直流分量的影响;在载波比和调制度不变的情况下,采样频率的增大会进一步降低SPWM输出波形中的低次谐波分量.

　　　　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图4　输出电压频谱

从上述3个方面分析可知:①因数字化处理而导致的脉冲误差影响数字化自然采样法的SPWM输

出波形的频谱分布.②载波比和采样频率的增大会降低输出波形的直流分量,并减小低次谐波分量.③调制度的增大会使直流分量增大.在包含非同步调制的情况下,直流分量并不随任何一个参数单调变化,因而具有一定的随机性.④采用直流漂移控制方法来消除直流分量[8].⑤仿真结果验证了文献[6]原理分析的正确性.2.4　频谱分析

在调制度、调制频率和载波比相等的情况下,对数字化自然采样法和自然采样法的SPWM输出波形

332　　　　　　西安工程科技学院学报　　　　　　　　第20卷

进行频谱仿真分析.图5给出了调制度为0.8,调制频率为1kHz,载波比为10的频谱分布图.图5(a)为

数字化自然采样法的频谱图,其采样频率为100kHz;图5(b)为自然采样法的频谱图.从图5看出,当数字化自然采样法的采样频率足够高时,在相同的条件下,数字化自然采样法和自然采样法的频谱分布基本

　　　　　　　　　　　　(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)

图5　频谱分布比较图

相似,只是数字化自然采样法的SPWM输出波形存在微小的直流分量.

3　各采样法的仿真比较

用总谐波失真度反映并比较各种采样法输出波形的畸变程度.输出电压总谐波失真度为各次谐波电

压有效值平方和的方根值与基波电压有效值之比.其表示为

∞

THDV=

n=2

∑UnU1

(1)

图6为调制度为0.8,调制频率为1kHz,载波频率从8kHz逐渐增加到20kHz时的各采样法的THD变化曲线.从图6看出,载波比较低时,规则采样法的谐波畸变较大,数字化自然采样法和自然采样法的谐波畸变程度相近;随着载波比的增大,三者的谐波畸变程度趋于一致.

与图6仿真的条件一样,图7为各采样法的输出基波幅值变化曲线.载波比较低时,规则采样法的基波电压利用率较低,数字化自然采样法和自然采样法的基波电压利用率比较接近;随着载波比的增大,三者的基波电压利用率趋于一致.

　　　　　　　图6　THD变化曲线　　　　　　　　　　　　　　　　图7　输出基波幅值变化曲线

1—数字化自然采样法;2—自然采样法;3—规则采样法

4　结　论

(1)　数字化自然采样法的脉冲误差影响着其SPWM输出波形的频谱分布.

第3期　　　　　　　　　　　　SPWM数字化自然采样法的谐波仿真分析333

(2)　载波比和采样频率的增大会降低数字化自然采样法SPWM输出波形的直流分量,并减小低次

谐波分量.(3)　数字化自然采样法的SPWM输出波形的频谱与在自然采样法SPWM输出波形上附加一个直流分量和一些谐波分量的频谱相当,采样频率提高会使两种方法输出波形的频谱相似.

(4)　采样频率比较高时,数字化自然采样法与自然采样法的调制效果相似,而且优于规则采样法的调制效果.

(5)　仿真结果符合文献[6]理论分析的结果.参考文献:

[1]　MELLORPH,LEIGHSP,CHEETHAMBMG.ReductionofspectraldistortioninclassDamplifiersbyanen2

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ACdriveswithaninverterdead2timecompensationstrategy[J].IEEETrans.onInd.Applications,1991,27(3):5522559.

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[J].IEEETrans.onInd.Applications,1992,28(1):89295.

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15.

[7]　毛惠丰,陈增禄,施杰.基于数字自然采样法的SPWM波形生成的研究[J].电力电子技术,2003,37(6):76281.[8]　陈增禄,钱慧芳,温宗周,等.高精度宽频带逆变器直流漂移的多重采样频率控制方法研究[J].电工技术杂志,2004

(10):72275.

HarmonicsimulationanalysisofSPWMdigitalnaturalsampling

WENZong2zhou,MaoHui2feng

(SchoolofElectronics&Information,XAUEST,Xi′an710048,China)

Abstract:AccordingtotheprincipleofSPWM(SinusoidalPWM)digitalnaturalsampling,harmonicsimulationandanalysisarepresentedinMATLABsoftware.Complexionoffrequencyspectrumdistrib2utingiselicitedbychangingmagnitudeofthreeparameters,includingmodulationdepth,ratioofsignaltocarrierfrequencyandsamplingfrequency,andanaddeddirectcurrenttooutputwaveformofdigitalnaturalsamplingistestified.Whensamplingfrequencyisquitehigh,frequencyspectrumdistributingofdigitalnaturalsamplingandnaturalsamplingissimilarity.Simulationcomparisonforthefundamentalheightandtotalharmonicdistortion(THD)ofthreeprocessesshowthatthemodulationeffectofdigitalnaturalsamplingisclosetonaturalsampling′s,butexcelregularsampling′satlowratiosofsignaltocarrierfrequency,andmodulationeffectofthreeprocessesgoestoconsistencyaugmentingratioofsignaltocarrierfrequencygradually.

Keywords:SPWM;digitalnaturalsampling;naturalsampling;regularsampling;THD

编辑:武　晖;校对:田　莉

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