一種基于DSP的新型單相PWM算法研究

脈寬調制(Pulse-Width Modulation，PWM)技術在電力電子領域的應用極其廣泛。PWM模式是決定逆變器輸出電壓特性的根本。性能優越的PWM模式可以使逆變器具有良好的輸出特性。由傅里葉分析可知，不對稱波形會帶來大量低次諧波、偶次諧波以及余弦項。因此PWM脈沖波形的對稱性對輸出特性有很大影響。
PWM的實現方法一般有兩種：比較法和計算法。隨著數字技術的迅速發展和計算機功能的提高，計算法以其方便靈活的特點成為PWM實現方法的主流。采用計算法實現PWM時，按照每個載波周期內調制波的取法，可以分為規則采樣PWM和自然采樣PWM。其中，采用規則采樣法，計算簡單，占用系統軟件資源較少，因而應用比較廣泛；但是由規則采樣法計算出的PWM波形，在系統載波頻率較低時，輸出精度差，并且在計算時需要通過查表確定計算結果，所以并不能保證其波形的對稱性，諧波含量也會因為波形的不對稱而增加。
對于調制類PWM，有三種方式：同步調制，異步調制，分段同步調制三種方式。同步調制雖然可以在調制波頻率變化的所有范圍內，載波與調制波的相位相同， PWM波形一直保持對稱，輸出諧波的低次諧波可以得到消除。但是在載波頻率變化范圍大時，電力電子器件的開關頻率變化范圍大，在低頻時，將給系統引入大量較低頻率的諧波。異步調制的優點在于載波頻率在調速過程中載波不變，高次諧波對系統的影響基本固定，可以彌補同步調制的缺點。但是異步調制無法在大部分頻率點上都保證調制波與載波相位相對的固定，出現不對稱波形，會給系統引入大量的低次諧波、偶次諧波和余弦項。分段同步調制可以綜合以上兩種方式的優點，但在波比切換時可能出現電壓突變，甚至震蕩。基于以上理論，本文提出一種新的PWM算法，可以在異步調制下，使PWM波形在T／2周期內始終保持關于T／4 周期的完全對稱。

1 PWM算法原理
在用數字化控制技術產生PWM脈沖時，三角載波實際上是不存在的，完全由軟件及硬件定時器代替，圖1為三角載波的產生原理(Ttimer為定時器的值)。 PWM脈沖的產生機理為：定時器重復按照PWM周期進行計數。比較寄存器用于保持調制值，比較寄存器中的值與定時器計數器的值相比較，當兩個值匹配時， PWM輸出就會跳變；當兩個值產生二次匹配或者一個定時器的周期結束時，就會產生第二次輸出跳變。通過這種方式就會產生一個周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復完成計數、匹配輸出的過程，產生PWM信號，如圖2所示。

基于數字化控制技術產生PWM脈沖的這種特點，利用本文提出的算法，可以實現在任何頻率下產生完全對稱的PWM波形。其原理為：根據三角載波頻率及DSP 系統時鐘頻率確定定時器周期，利用數學計算方法，將形成載波的定時器周期等分，均分后所得到的數作為脈寬增量單元，隨時間遞增。脈寬以脈寬增量為單元成比例地增加或減少。