逆變器開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方法及opwm逆變器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地球物理探測(cè)中的電法探測(cè)儀器，特別涉及一種適用于時(shí)間域電 磁發(fā)射電路的逆變器開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方法及0PWM逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)PWM逆變器的開關(guān)信號(hào)由固定頻率的三角載波和調(diào)制波比較產(chǎn)生，即逆變器 以固定載波頻率工作，應(yīng)用到發(fā)射機(jī)后，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出電流中含有大幅度諧波的現(xiàn)象，不 僅會(huì)引起電磁干擾，而且增大了橋路功率器件的開關(guān)損耗，與理想輸出電流信號(hào)有一定差 距。此外，電流中一些幅度較大的中頻諧波成分，容易引起機(jī)械共振，使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。這 些諧波及諧波引起的電磁噪聲主要分布在開關(guān)頻率及其倍頻處。
[0003] 通常采用的解決辦法是提高開關(guān)頻率，隨著開關(guān)頻率的提高，諧波電流的頻率也 提高，幅度相應(yīng)地減小。但是，這種方法會(huì)帶來較大的開關(guān)損耗，在大功率環(huán)境下并不適用， 且受到功率器件開關(guān)頻率的限制。另一種解決方法是在逆變器輸出端使用濾波器，該方法 可以降低機(jī)械振動(dòng)，但抑制電磁干擾的效果不理想，且效率低、成本高、安裝體積大。
[0004] 研究表明，載波頻率調(diào)制技術(shù)(CFM)是抑制電磁干擾的最佳方案?；趥鹘y(tǒng)固定載 波頻率的PWM逆變器，載波頻率調(diào)制技術(shù)在開關(guān)頻率及其倍頻處抑制輸出諧波、降低電磁噪 聲。目前，載波頻率調(diào)制技術(shù)主要有隨機(jī)調(diào)制技術(shù)、混沌調(diào)制技術(shù)、周期性調(diào)制技術(shù)。
[0005] 隨機(jī)調(diào)制技術(shù)(RPWM)，隨機(jī)信號(hào)調(diào)制PWM脈沖的頻率、位置、占空比隨機(jī)變化，使單 次諧波的能量傳播到其邊帶，降低諧波峰值。實(shí)際中，得到理想的隨機(jī)信號(hào)是非常困難的， 通常用有限長(zhǎng)度的偽隨機(jī)序列代替理想的隨機(jī)信號(hào)。由于混沌系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性，用混沌 信號(hào)代替隨機(jī)信號(hào)實(shí)現(xiàn)載波頻率調(diào)制，這就是所謂的混沌調(diào)制技術(shù)。無論是隨機(jī)調(diào)制方案 還是混沌調(diào)制方案，均可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，是獨(dú)立的PWM控制策略，但它需要一個(gè)微控制器的功率 變換器產(chǎn)生一個(gè)合適的概率密度函數(shù)，同時(shí)缺乏THD參數(shù)控制。
[0006] 周期性調(diào)制技術(shù)，PWM載波頻率由周期信號(hào)調(diào)制。以往的周期性調(diào)制研究中，主要 集中在正弦信號(hào)和正弦信號(hào)最大頻率偏差對(duì)諧波的抑制效果。雖然其中一些涉及用其他周 期信號(hào)調(diào)制載波頻率，但對(duì)周期性信號(hào)波形和最大頻率偏差的研究仍不是很全面。與隨機(jī) 調(diào)制相比，周期調(diào)制的缺點(diǎn)是離散的譜分布。當(dāng)周期信號(hào)的頻率越高，頻譜的能量會(huì)集中離 散譜線下，同時(shí)，使用不同的周期信號(hào)會(huì)得到不同的抑制效果。載波頻率雙重調(diào)制技術(shù) (MCFT)就是應(yīng)用這個(gè)理論，利用三角波和鋸齒波合成一個(gè)新的調(diào)制信號(hào)，對(duì)三角載波頻率 進(jìn)行雙重調(diào)制。周期信號(hào)V ml(t)對(duì)載波進(jìn)行基本調(diào)制，調(diào)制后諧波的局部峰值能量經(jīng)Vm2(t) 再次調(diào)制得以改進(jìn)。這意味著恰當(dāng)設(shè)計(jì)CFM的等效合成信號(hào)可能得到較好的諧波抑制效果。 但其研究主要集中在合成信號(hào)的組成成分及合成信號(hào)最大頻率偏差對(duì)諧波峰值抑制效果， 并沒有給出如何根據(jù)需求的頻譜分布定量設(shè)計(jì)最大頻率偏差以及如何選擇兩種周期信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于輸出電流信號(hào)規(guī)律變頻PWM調(diào)制技術(shù) (Out Frequency Pulse Width Modulation，以下簡(jiǎn)稱OPWM)的逆變器開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方 法及實(shí)現(xiàn)該方法的0PWM逆變器，該方法從頻譜角度考慮，根據(jù)需求的譜分布定量設(shè)計(jì)功率 器件開關(guān)頻率、減少逆變器輸出的電流諧波、改善輸出電流THD，使逆變器輸出電流信號(hào)更 接近于發(fā)射機(jī)理想發(fā)射信號(hào)。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的逆變器開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方法包括如下步驟：
[0009] (1)設(shè)置首次定時(shí)中斷時(shí)間to;采集逆變器負(fù)載電流信號(hào)，將此電流信號(hào)iRL(t)進(jìn) 行歸一化處理后，作為調(diào)制變頻三角載波瞬時(shí)頻率值的調(diào)制信號(hào)V m(t);
[0010] (2)在中斷周期內(nèi)，根據(jù)調(diào)制信號(hào)￥"(〇及公式（1)計(jì)算得到變頻三角載波在每一 個(gè)頻率值處的峰值TBPRD，據(jù)此產(chǎn)生變頻三角載波;根據(jù)模擬調(diào)制波U(t)及公式（2)計(jì)算得 到數(shù)字調(diào)制波在變頻三角載波每一個(gè)頻率值處的對(duì)應(yīng)瞬時(shí)值CMPA，據(jù)此產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制波； 根據(jù)公式(3)、（4)和(5)對(duì)變頻三角載波經(jīng)過的時(shí)間進(jìn)行累加得到變頻三角載波時(shí)間累加 值!^，用于計(jì)算下一次進(jìn)入中斷周期時(shí)刻處的變頻三角載波峰值TBPRD和數(shù)字調(diào)制波瞬時(shí) 值CMPA;
[0011 ] TBPRD = 1/{2|./； + )}, } (1)
[0012] CM PA Μ x TBPRD χ ?'(τ, ,) (2)
[0013] =〇:) (a)
[0014] ^ = l/[/；+?s^feI ⑷
[0015] T； < \jj\ < T：+i (5)
[0016] Ti+是前i個(gè)變頻三角載波周期累加值，Ti是第i個(gè)變頻三角載波的周期。為 調(diào)制信號(hào)乂4〇在d:1時(shí)刻的瞬時(shí)值，調(diào)制信號(hào)V m(t)由輸出電流采集電路采集到的輸出電 流rn(t)歸一化得到；為模擬調(diào)制波U(t)在7；=時(shí)刻的瞬時(shí)值，模擬調(diào)制波U(t)由所 需的逆變器輸出電壓信號(hào)歸一化得到，是周期、頻率、幅值固定的模擬調(diào)制波；
[0017] 其中乜=5000;以=1^3，1^三{0.1，0.2,0.3,0.4}，乜=1/(1.5\10 8)，]\1=1;
[0018] (3)將數(shù)字調(diào)制波與變頻三角載波電壓值比較產(chǎn)生第一開關(guān)控制信號(hào)0PWM1;將數(shù) 字調(diào)制波取反后與變頻三角載波電壓值比較產(chǎn)生第二開關(guān)控制信號(hào)0PWM3;
[0019] (4)將第一開關(guān)控制信號(hào)0P麗1、第二開關(guān)控制信號(hào)0PWM3、第一脈沖信號(hào)0PWM2和 第二脈沖信號(hào)0PWM4輸入到逆變器驅(qū)動(dòng)電路，使得驅(qū)動(dòng)電路輸出4路控制信號(hào)，控制Η橋4個(gè) 開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，在第一開關(guān)控制信號(hào)0PWM1信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)間段、第二脈沖信號(hào) 0PWM4信號(hào)為高電平時(shí)，在逆變器負(fù)載兩端得到正向電流輸出電流信號(hào);在第二開關(guān)控制信 號(hào)0PWM3信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)間段、第一脈沖信號(hào)0PWM2信號(hào)為高電平時(shí)，在逆變器負(fù)載兩端 得到反向電流輸出電流信號(hào)；
[0020] (5)在下一中斷周期內(nèi)，重復(fù)步驟(2)~(4);以此類推，在逆變器負(fù)載兩端交替得 到正向電流輸出電流信號(hào)和反向電流輸出電流信號(hào)。
[0021 ]所述步驟(4)中，第一開關(guān)控制信號(hào)0PWM1、第二開關(guān)控制信號(hào)0PWM3、第一脈沖信 號(hào)0PWM2和第二脈沖信號(hào)0PWM4周期相等;第一開關(guān)控制信號(hào)0PWM1與第二脈沖信號(hào)0PWM4同 步，且第一開關(guān)控制信號(hào)0PWM1脈沖信號(hào)時(shí)間段與第二脈沖信號(hào)0PWM4高電平時(shí)間段相等； 第二開關(guān)控制信號(hào)0P麗3與第一脈沖信號(hào)0P麗2同步，且第二開關(guān)控制信號(hào)0P麗3脈沖信號(hào) 時(shí)間段與第一脈沖信號(hào)0PWM2高電平時(shí)間段相等。
[0022] 進(jìn)一步，本發(fā)明的逆變器開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方法還包括如下步驟：
[0023] 在每次進(jìn)入中斷周期后，將前i個(gè)變頻三角載波周期累加值IV與數(shù)字調(diào)制波周期 1訂1 = 4\1(^秒進(jìn)行比較，1'1+<1訂1時(shí)執(zhí)行步驟(2)，〇1/^ 1時(shí)1清零，然后執(zhí)行步驟(2)。
[0024] 實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)信號(hào)變頻調(diào)制方法的0PWM逆變器包括驅(qū)動(dòng)電路、Η橋，驅(qū)動(dòng)電路的輸 出與Η橋的輸入連接;其特征