逆变器电路采样算法



正弦脉宽调制自然采样法

正弦脉宽调制自然采样法是一种通过正弦波与三角波交点控制功率开关器件通断以生成SPWM波形的方法。具体来说：

基本原理：自然采样法利用正弦波和三角波的天然交汇点来控制功率开关器件的通断。正弦波在不同相位时有不同的值，与三角波的交点会导致脉冲宽度的变化。正弦波的频率或幅度变化都会相应影响脉冲宽度的调整。

交点确定：精确生成SPWM的关键在于精确计算出正弦波与三角波的交点位置。这些交点代表了脉冲的开始和结束时刻。

波形生成：交点A和B分别代表脉冲的开始和结束，脉冲宽度t2由交点A和B确定。同时，还有脉宽间隔时间t1和t3，以及载波周期Tc。

参数关系：

调制度M等于调制波幅值Urm与载波幅值Utm的比值。调制频率ω1等于逆变器输出频率。正弦调制波ur可以表达为M乘以sin。

计算复杂性：脉宽计算公式t2依赖于载波比N和调制度M，是一个超越方程。当交点A和B不相等时，方程的求解涉及复杂的数学关系，使得在微机实时控制的环境中实现起来颇具挑战性。因此，自然采样法在实际应用中可能面临计算上的复杂性。

PLECS 应用示例（78）：三相电压源逆变器（Three-Phase Voltage Source Inverter）

三相电压源逆变器(VSI)模型展示了一个从直流电压源产生交流电流和电压的逆变器电路。此模型设计用于实现10千瓦的额定功率，并提出了三种不同的脉宽调制(PWM)方案来控制VSI输出。

直流电压源提供700伏的电压，代表系统中的电池、太阳能阵列或整流器。逆变器连接到230Vrms、50Hz的低压电网，电网表示为刚性交流电压源。并网电抗为基础阻抗的10%，并包含小电阻来模拟电感器损耗。电感器电流被初始化为单位功率因数下10kW的期望额定功率，以避免启动期间的瞬态。

可配置子系统“控制器Controller”包含三种常见的PWM方法：正弦PWM、空间矢量(SV)PWM和滞后PWM。选择不同的调制器类型将呈现不同的控制参数。通常，VSI输出端电压或参考电流将使用闭环控制方法动态计算，但在模型中使用固定值。正弦和SV PWM配置中，参考信号是VSI输出端子处的期望平均电压，VSI输出电流与电网电压相位差决定了输出电压幅度和角度。正弦PWM实现使用对称PWM组件，其采样参数配置对调制指数输入进行采样的不同方式。滞后PWM是一种电流控制的PWM方案，调节逆变器的输出电流至恒定迟滞带内的参考电流。

模型配置了运行多个实验，比较每个调制器的性能。通过检查输出波形、总谐波失真(THD)、谐波频谱分析和磁滞带，可以比较每种调制策略产生的谐波。

通过比较，发现SV PWM在输出端产生的谐波失真较小，与相同开关频率的正弦PWM相比。正弦PWM和SV PWM方案的主谐波以开关频率的整数倍为中心，而磁滞PWM产生的谐波是非周期性的，并在谐波频谱中具有频率含量。

模型讨论了无调节三相VSI的运行，并实现了三种调制技术，比较了每种调制策略产生的谐波。此模型授权英富美(深圳)科技有限公司提供翻译与发表，所有权属于瑞士商Plexim GmbH所有。如有任何用途，请先获得所有权人允许。

SPWM定义

SPWM，即Space Vector Pulse Width Modulation（空间向量脉宽调制），是在脉宽调制（PWM）技术基础上的一种高级形式。PWM通过调整方波的占空比来模拟电压，广泛用于电机调速和阀门控制，如电动车电机的调速。SPWM则进一步改变了脉冲模式，使脉冲宽度时间占空比按照正弦波规律分布，这样经过滤波后的输出接近正弦波，特别适合于直流交流逆变器，如高级UPS中就采用三相SPWM技术，模拟市电三相输出，变频器领域广泛应用。

实现SPWM的方法有多种：

等面积法：以SPWM原理为基础，用等幅不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波。这种方法精度高，但计算复杂，数据占用内存大，不适用于实时控制。

硬件调制法：为了解决等面积法的计算繁琐问题，用调制信号（如正弦波）控制载波（如等腰三角波），生成所需的PWM波形。虽然结构复杂，但简化了计算。

软件生成法：随着微机技术的发展，软件成为主流。主要有自然采样法和规则采样法。自然采样法接近正弦波，但计算复杂；规则采样法则简单且适合实时控制，但直流电压利用率较低。

低次谐波消去法：针对低次谐波问题，通过傅氏级数展开消除部分谐波，但计算复杂且效率有限。

梯形波与三角波比较法：为提高直流电压利用率，采用梯形波作为调制信号，以消除低次谐波，但输出波形含有低次谐波。

单极性和双极性SPWM是两种不同工作方式，单极性仅在半个周期内一个器件工作，双极性则两个器件交替工作，但线电压输出是单极性的。

扩展资料

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.

干货|开源MIT Min cheetah机械狗设计(二)|无刷电机FOC算法代码解析

FOC算法，即磁场定向控制，是无刷电机的驱动控制方法之一，其核心在于高效控制无刷电机，实现机械狗腿部电机的平稳、精确运动。以下是FOC算法代码的详细解析：

FOC控制相关参数设置：

比例增益和微分增益：这些参数用于PID控制器，确保位置、速度与所设定的力矩达到期望值。电机的电流力矩常数：这是电机的一个固有参数，用于计算所需的电流以实现特定的力矩输出。

力、位、速三者控制实现：

通过公式计算参考转矩，实现力矩的闭环控制。使用编码器反馈的位置信息，实现位置的闭环控制。通过速度传感器或位置信息的微分，实现速度的闭环控制。

完整的FOC算法控制流程：

两相电流采样：采集电机的两相电流，用于后续的计算。DQ0变换：将采集到的两相电流通过变换矩阵转换为D轴和Q轴电流，以便进行独立的控制。PI控制器设计：为D轴和Q轴电流分别设计PI控制器，根据误差调整输出，以实现期望的电流控制。编码器位置角度校正与线性化：使用编码器反馈的位置信息，进行角度校正和线性化处理，确保电机的精确控制。

FOC算法在机械狗腿部电机控制中的应用：

通过FOC算法，可以实现对机械狗腿部电机的高效、平稳控制。精确的电流控制使得电机输出平稳的力矩，从而实现机械狗腿部的精确运动。

FOC控制算法的调试：

验证三相逆变模块输出，确保逆变器的正常工作。测试相电流采样电路，确保电流采样的准确性。测试变换程序的正确性，确保DQ0变换的准确性。调试SVPWM模块，确保电机驱动信号的稳定性和可靠性。

综上所述，FOC算法通过精确控制磁场大小与方向，实现了对无刷电机的高效、平稳控制。在机械狗的腿部电机控制中，FOC算法的应用显著提升了机械狗的性能和实用性。

如何从零自学逆变器控制(一)

如何从零开始自学逆变器控制

要掌握逆变器控制，首先需了解理论知识。掌握功率拓扑原理，包括Buck、Boost电路和全桥逆变电路，理解驱动和PWM占空比计算，虽然软件部分可以依赖硬件提供的系数，但《数字信号处理》和《自动控制原理》是基础课程。数字信号处理涉及拉氏变换和离散化，逆变器中的滤波器主要是一阶低通和陷波器。自动控制原理则讲传递函数，重点理解PID中的PI控制，推荐使用串联型，编写程序时需通过Z变换和差分方程。

获取资源是关键。选择TI公司的C2000系列DSP，例如TMS320F280049，从TI官网下载相关资料，如用户手册和SDK库。开始时可从控制一个IO口入手，再逐步深入。C2000Ware库提供例程，旧型号可能需要注册。

学习路径包括理解逆变器的开发套件，如Solar目录下的单相逆变器项目，从原理图和源码入手，同时参考官方的指导文档。掌握基本的单极性或双极性控制，理解控制模式和功率拓扑。

在CCS开发环境中，导入并调试例程，如voltagesourceinvlcfltr.c中的中断程序，理解PI控制参数设计。可以从TI的库中找到逆变器常用的算法，如电压源逆变器的控制。

参数采样是逆变器核心，包括直流电压、交流电压和电流。例如，通过电阻分压法采样直流电压，计算公式预先设定系数简化计算。交流电压采样则用差分电路，计算出合适的系数转换采样值。

电流采样可通过电阻或霍尔传感器，这里以电阻为例，计算电流值的公式同样涉及系数预设。

逆变控制涉及相位生成，如使用斜坡信号乘以正弦函数，以及电压和电流环路的双环路控制。PI控制中，串联型更易于调试，注意中断函数中的函数调用效率。

最后，持续学习和实践，如PID控制的理解，可以参考相关文章深入探讨。通过理论与实践结合，逐步掌握逆变器控制的各个方面。

PWM波如何产生并控制

PWM控制技术基于采样控制理论中的结论，即窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。通过控制半导体开关器件的导通与关断，使输出得到一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，以此替代正弦波或其他波形。这种控制方法可以改变逆变电路输出电压的大小和频率。

随着电力电子器件的发展，尤其是全控型器件的出现，PWM控制技术在上世纪80年代得到广泛应用。如今，已出现了多种PWM控制方法，包括等脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法等。SPWM法是一种成熟的控制方法，其原理基于采样控制理论中的结论，通过脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形来控制逆变电路中的开关器件。

等面积法是SPWM法的直接实现方式，通过计算各脉冲的宽度和间隔来生成PWM信号。此方法虽能准确计算开关器件的通断时刻，但计算繁琐且难以实时控制。硬件调制法则通过模拟电路来实现，虽然简单但难以精确控制。

软件生成法利用微机技术，实现调制过程。自然采样法和规则采样法是两种基本算法，规则采样法计算简单，便于实时运算，但直流电压利用率较低。低次谐波消去法则旨在消除特定低次谐波，但剩余谐波幅值较大，计算复杂。

梯形波与三角波比较法是一种提高直流电压利用率的方法，通过采用梯形波作为调制信号，实现PWM控制。这种方法能有效提高直流电压利用率，但输出波形中含低次谐波。

线电压控制PWM适用于三相逆变电路，旨在使线电压趋于正弦。马鞍形波与三角波比较法通过注入三次谐波，提高直流电压利用率。单元脉宽调制法则通过特定的脉冲模式，实现线电压的脉冲波形，这种方法不仅能抑制低次谐波，还能减小开关损耗。

电流控制PWM通过比较指令电流与实际电流，决定开关器件的通断状态。滞环比较法电路简单，动态性能好，但开关频率不固定。三角波比较法则通过固定频率，提高电流响应速度。预测电流控制法则根据预测误差，决定下一个调节周期的电压矢量。

空间电压矢量控制PWM通过逆变器的不同开关模式，逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹，实现PWM波形的生成。此法从电动机角度出发，控制逆变器和电机的整体性能。矢量控制PWM通过坐标变换，分别控制速度和磁场，但难以准确观测转子磁链。直接转矩控制PWM直接控制转矩，克服了矢量控制的不足，但逆变器开关频率有限制。

非线性控制PWM中的单周控制法通过控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等。单周控制能自动消除稳态和瞬态误差，适用于各种软开关逆变器，反应快且鲁棒性强。

谐振软开关PWM通过在常规PWM变换器中附加谐振网络，使电力电子器件在开关点上实现软开关过程。这种方法保持了PWM技术的特点，实现了软开关技术，但谐振网络的存在会导致谐振损耗。

PWM技术的几种PWM控制方法

采样控制理论中有一个重要结论：当冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是基于这个结论，通过控制半导体开关器件的导通和关断，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。通过按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但由于电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展，以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，主要有以下方法。

1. 随机PWM方法：在上世纪70年代至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

2. SPWM（Sinusoidal PWM）法：这是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其原理是利用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变局旦培调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

3. 等面积法：该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。

4. 硬件调制法：硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

5. 软件生成法：由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

6. 低次谐波消去法：是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(ωt)=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1、a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。

7. 梯形波与三角波比较法：该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。

8. 线电压控制PWM：对于三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制PWM，主要有马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法。

9. 电流控制PWM：基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有滞环比较法、三角波比较法和预测电流控制法。

10. 空间电压矢量控制PWM（SVPWM）：也叫磁通正弦PWM。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。

11. 矢量控制：也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。

12. 直接转矩控制：与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度。

13. 单周控制法：又称积分复位控制（Integration Reset Control，简称IRC），是一种新型非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。

14. 谐振软开关PWM：在常规PWM变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现。

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