專利名稱:脈沖寬度調(diào)制(pwm)變換器的制作方法
本發(fā)明總的來說是關于變換器的，特別是關于能在一個電壓固定的直流電源下工作的脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器。
在某些應用中，希望能由一個具有固定輸出電壓的直流電源(如一組電池)來驅(qū)動一個三相負載，例如一臺交流感應電機，而無基波的諧波。由于電池昂貴，因而就希望能夠從現(xiàn)有的直流電壓中獲得最大的線-線有效值(RMS)電壓。
本發(fā)明首要目的是提供一種使三相變換器輸出電壓的有效值增到最大的方法和裝置，以便將產(chǎn)生該電壓所需要的電池數(shù)量降至最少。
從這個目的來看，本發(fā)明屬于把一個脈(沖)寬(度)調(diào)制或者PWM變換器的三相輸出電壓增至最大的一種方法，而這種變換器是工作于有固定的上限和下限電壓的直流電源，該方法包括的步驟為產(chǎn)生基本上是按正弦變化的極電壓，而該電壓在鄰近于電源電壓的各極限值的預定區(qū)域內(nèi)是無值的;將各極電壓在每個半周內(nèi)轉換到預定的固定電源電壓極限值;結果引起階躍變化，極電壓的波形從大體上的正弦波形變化到固定的極限值;然后，在預定的相應極電壓固定不變時，改變每個極電壓的波形;這樣合成的三相極-極電壓波形便為正弦波了。
本發(fā)明進一步歸結于一個按上述方法工作的PWM變換器，并在PWM變換器中設有一個按照權利要求
1的方法進行工作的三相橋該PWM變換器包括具有三個電源電極的三相橋路，可連到一個有預定的固定上限和下限電壓極限值的單向電源上的直流輸入端子;和可連到一個負載電路上的交流輸出端子;還包括有用于控制電源電極導通時間的控制裝置，以提供大致上是正弦波的極電壓，該電壓在供電電源的上限和下限值之間交替變化，并不進入靠近每個極值的預定區(qū)域;而且，所說的控制裝置含有在預定的電角度數(shù)內(nèi)將每個極電壓的每一半周轉換到電源的預定的固定電壓極值，結果產(chǎn)生從大致上為正弦波變化的波形變到相應的固定極限電壓的階躍變化，以增加從單向電源中獲得的最大的極-極電壓的有效值。
從以下參照有關附圖所作的典型描述中，對本發(fā)明將更易于理解，附圖中圖1為一個變換器電源部份的簡化線路圖，該電源部分用于從電壓固定的直流電源，如一電池組，向一個感應電機之類的三相負載供電。
圖2為一失量圖，畫出了電極對參考點的電壓，以及得出的圖1所示變換器的極-極電壓。
圖3表示用了六步調(diào)制方法的兩個極電壓的波形，以及得出的極-極電壓。
圖4為由PWM技術產(chǎn)生的理想極電壓和極-極電壓波形圖。
圖5表示一個在給定的直流輸入電壓的情況下所能產(chǎn)生的理論上的最大正弦輸出電壓的極電壓和極-極電壓波形圖。
圖6表示圖5中的極電壓和極-極電壓波形圖，其不同之處是含有用于電源電極的電源轉換裝置的“開”和“關”時間限定。
圖7表示按本發(fā)明的旨意構成的極電壓波形，以及得到的正弦極-極電壓的圖。
圖8表示按本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例組成的以計算機為基礎的線路圖。
圖9表示一個貯存在圖8所示的計算機的只讀存貯器(ROM)中的查尋表內(nèi)的極電壓波形。
圖10和11表示在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，如圖9所示的波形如何分成兩種成分并存貯到查尋表內(nèi)。
圖12和圖13分別表示了圖10和圖11中的波形也可以進行安排存貯在兩個查尋表中。
圖14表示圖10-圖13中有關的兩個查尋表如何存貯在一個卷繞(Wraparound)的查尋表內(nèi)。
圖15為圖8所示的計算機的啟始程序的流程圖。
圖16為控制電源電極切換的中斷驅(qū)動程序流程圖。
圖17表示應用圖10和圖11的查尋表時為電源電極間準備信號的主控制程序圖。
圖17A為當使用圖12和圖13的查尋表時為電源電極準備信號的圖17所示流程圖的修正部分。
圖18表示雙邊調(diào)制，圖19是繪出含有持續(xù)時間計時器的時間值和給每一持續(xù)時間間隔內(nèi)電源電極的信號的先進先出(FIFO)棧的隨機存取存貯器(RAM)圖。
圖20表示單(后端)邊調(diào)制。
圖21是繪出當每一持續(xù)時間間隔時含有電源電極的時間值和信號的FIFO棧的隨機存取存貯器(RAM)圖。
圖22為一RAM圖，設定了圖15，16和17中所示程序的計時值和其它變量。
簡言之，本發(fā)明展示了一種PWM變換器的結構，以及操作這樣的變換器的方法。變換器內(nèi)電源有一固定電壓。從變換器中所獲得的最大三相交變電壓有效值是通過將每一電極電壓從一變化值轉換到一個預定的作為每個極電壓的每個半周的預定值部份的固定電壓極值而得到的。在正向變動的或某一電極電壓的半周的預定的電角度期間內(nèi)，電壓將轉換到固定的上限值，也就是直流電源的正向輸入端壓。在負向變動的或半周的預定電角度期間內(nèi)，每一電極電壓將轉換到固定的下限值，即達到直流電源的負向輸出端壓。進而，當一個極電壓固定時，要產(chǎn)生一預定極-極電壓的預定的有關極電壓就按要求予以變形，這樣合成的極-極電壓是正弦的。
在本發(fā)明的一預定實施例中，利用了一個基于微形計算機的調(diào)制器，具有一個貯存在只讀存貯器(ROM)的極電壓的波形。該波形貯存在第一和第二查尋表中，而它們的輸出是結合在一起的。極電壓波形的變化部份貯存在第一查尋表中，而不變部份貯存在第二查尋表中。第二查尋表可以用一個位表示上下固定極限值，例如用“1”表示上限值，用“0”表示下限值。
現(xiàn)在來參看一下附圖，特別是圖1，它表示了一簡化了的三相脈沖寬度調(diào)制變換器(PWM)30的圖形，它工作于一固定直流電源32，例如一組電池，以三相橋形式構成的變換器30包括連接到直流電源32上的直流總線34和36?？偩€34連到供電電源32的上限值或稱正極端，而總線36則連到供電電源32的下限值或稱為負極端。
產(chǎn)生三相交流電壓的第一、第二和第三電源電極38，40和42分別接在總線34和36之間。每個電源電極作為雙位開關，將一個輸出端時而接于直流電源32的正端，時而接于其負端。電源極38，40和42具有輸出端44，46和48，它們分別連接到三相交流負載50上，例如驅(qū)動一個速度可控的升降電梯的三相交流感應電機。所說的升降電梯僅僅是給出一個例子而已，而三相感應電機可驅(qū)動任何速度可控的負載。速度測試信號發(fā)生器52根據(jù)電梯位置提供所需的表示電梯速度的信號。處理器54則將實際電梯速度與所要求的速度進行比較從而產(chǎn)生一誤差信號。響應于該誤差信號，處理器54可以在任何瞬間提供一個表示希望的電機電壓和頻率的信號，按需要減少速度誤差。PWM控制器56變換電源電極的開和關以獲得的需要的正弦三相線-線電壓U，U和U，即電極間的電壓，它們具有感應電機所必需的瞬時電壓幅度和頻率，按要求的速度驅(qū)動升降電梯。圖2為矢量圖，給出了極-參考點的電壓V，V和V，以及得出的極-極電壓U，U和U。
圖3給出利用六步調(diào)制技術從相或極電壓V和V中產(chǎn)生的交流線-線電壓U。當線-線電壓U的峰峰值是直流電源電壓幅值的兩倍，線-線電壓基波的有效值是直流電源電壓值的78%的時候，(這是高效率使用電源)，其波形為方波。因此這種波形中不需要的諧波很豐富，將產(chǎn)生能聽到的電機噪音和扭矩跳動。脈寬調(diào)制技術尤其適用于電梯應用方面，這方面低噪音，運行平穩(wěn)是主要的。
圖4畫出PWM變換器控制圖形，在一轉換控制器中，電極被打開和關閉。每一電極的平均輸出按正弦變化，正如線-線電壓的變化一樣。圖4給出了由脈寬調(diào)制(PWM)技術產(chǎn)生的“理想”的波形圖。依據(jù)這些理想波形，(即，極電壓和極-極電壓全是正弦的)，則線電壓的峰-峰值等于直流電源電壓Vmax的1.7倍，而線-線電壓有效值現(xiàn)僅為直流電源電壓Vmax的61.2%。這就要求直流電源電壓明顯高于圖3所示使用六步調(diào)制技術時所用的電源電壓以便得到一給定的輸出電壓有效值。由于較高電壓意味著在直流電源32中要有更多的電池，這就希望能夠減少輸出一定電壓有效值所用的電池的數(shù)目。但是，該目的只應當在維持線-線電壓波形為正弦時達到為好。
圖5給出了表明依靠調(diào)制電極電壓的方法如何能在理論上使電壓有效值增加到給定的直流電源電壓幅值，那么電極電壓的波形為在直流電源的兩個限定電壓值上帶有平頂部份的正弦波部份，從而線-線正弦波U的峰值精確地處在Vmax和Vmin上。線電壓U峰-峰值是直流電源電壓Vmax的兩倍，而且線-線電壓有效值增加到直流電源電壓Vmax的70.7%。這是理論上從直流電源所能獲得的最大的正弦電壓。
但是，圖5的理論上的最大值是達不到的，這是因為用在電極處的可控硅和晶體管等的固體開關裝置的“開”和“關”的時間限制所致。每一電源開關在“開”和“關”時一定會存在一個最短的時間，典型值是50到100微秒內(nèi)，這一點限制了PWM變換的占空比的百分數(shù)。
在PWM中，使用一個具有頻率比變換器產(chǎn)生的最高交流輸出頻率高許多的載波把輸出正弦波分成許多部分或載波周期。在每個這樣的載波周期中，要得到的正弦波大小被轉換成電極應閉合的每一載波周期的百分數(shù)。輸出頻率是由用于組成一個輸出正弦波的這樣的載波周期的數(shù)目所決定的。因此，如前文所述的電源開關的“開”和“關”的時間限制，在實施例中，當開關時間最小值取100μs，載波周期取1000μs，其允許占空比是0%，10%到90%，和100%。在0%和10%之間，以及90%和100%之間的占空比是不能完成的禁區(qū)。電源開關裝置“開”和“關”時間用于決定調(diào)制系數(shù)M，對上述例子中，M應為0.9。
圖6給出了應用電源開關裝置的開和關時限時獲得的極電壓V和V，以及合成的線-線電壓U。從中看到在調(diào)制系數(shù)M處的極電壓V和V的平直部份，在1-M處它們具有平直部份，這些地方Vmax等于1。在圖6的實例中，峰-峰，線-線電壓U限制到直流電源電壓Vmax的1.6倍，線-線電壓有效限制到直流電源電壓Vmax的56.6%。
從本發(fā)明看出，在前例中，以前規(guī)定的在0和10%之間，以及在90%和100%之間的占空比是不能達到的。而0%和100%的占空比實際上是可以完成的。僅僅是在10%和90%之間不調(diào)整，而當被調(diào)整的變化著的波形達到一個占空比極限時，它就得以轉換而以階躍函數(shù)形式跳到鄰近的固定電源極限值上。那么，波形被有效箝位或保持在此極限值上，直到波形再次需要轉變到允許的范圍為止。當此時刻到來時，波形便被轉換，這樣就從固定電源電壓極限值迅速跳回到被調(diào)整的，變化著的波形部份。這樣的極-參考點波形V，V和V，以及合成的正弦線-線波形U，U和U在圖7中表示出來。
在圖7中注意到，當一個極電壓波形，例如V，被箝位在電源電壓限值Vmax，或說箝位在電源電壓限值0時，被用于形成極-極電壓U的有關極電壓V按要求變化以給U提供一正弦波形。
如圖7所示，在第一個60度電角度內(nèi)，隨著極電壓V變換到低電源電壓限值，極電壓V實際上被整形成與從0到60度的所要求的U部份完全一樣，即U等于0-V，或-V。
當變動的極電壓V達到占空比限值M時，它便得以轉換，在點58處從調(diào)整的波形跳到固定的電源電壓極值Vmax。同時，極電壓V從低的固定電源電壓限值，即從0，跳躍到點60處。從點60到點62的V的變動部份被截去，這樣從60度到120度的V-Vmax形成了所需要的U的負向正弦部份。當V突然地從電源電壓上限值Vmax躍回到在點64處的調(diào)整區(qū)時(120電角度處)，V產(chǎn)生向下跳回到點66的變化。然后選擇V和V的變化值這樣合成的V-V形成U從120度到180度的這部份。在180度上，波形V在點68處達到占空比上限值，然后被轉換以便波形急劇地跳躍到電源電壓上限值Vmax。同時，波形V從點70跳躍到點72。選擇它從180到240度的變化值，使得Vmax-V產(chǎn)生從180度到240度的所需的正弦波部份U。當V驟然從電源電壓上限值Vmax轉變到點74的允許區(qū)時，V同時達到在點76處的允許區(qū)的占空比的下限值，然后，向下跳躍到電源電壓下限值。而在240度到300度范圍內(nèi)，V被箝位在零時，因為U＝V-0或U＝V，V和U波形重合。當V在點78處驟然從電源電壓下限值轉變到允許區(qū)時，V從點80處向上跳躍到點82，并且V與所需正弦波形U分開，這樣V-V便從300度到600度形成所需的U的正弦部份。
從圖7中將看到，在60度電角度中每一極電壓的正向變化被開關轉換到電源電壓上限Vmax，變化部份集中到固定值上。而每一極電壓的負向變化在60度電角度中被開關轉換到電源下限值，變化部份也集中到固定值上。這就產(chǎn)生了最大的正弦極-極電壓，當調(diào)制系數(shù)M是0.9時，它為直流電源電壓Vmax的1.8倍?？傻玫降妮敵鲭妷河行е凳侵绷麟娫措妷旱?3.6%，與圖6結構比較，直流電源的使用改進了12.5%，那么，當直流電源是電池系統(tǒng)時，這意味著節(jié)約電池消耗12.5%。
當談及的這個問題已集中到從PWM變換器中產(chǎn)生最大輸出電壓時，所公開的調(diào)制技術不要求不實際的開關占空因數(shù)，就能使任何電壓產(chǎn)生所能獲得的最大的電壓值。從詳細敘述的本發(fā)明實際實施例中，將很明顯看到這一點。當極電壓從最大值上減小時，其平直不變部份將停留在電源極限值上，直到所需的極電壓降到恒定電源電壓的70%時為止。在此值以下，極電壓波形的平直不變部份就離開了電源電壓極限值。
本發(fā)明優(yōu)選實施例利用一以計算機為基礎的調(diào)制器，它把一個極電壓的波形，比如圖7所示波形V，貯存在計算機存貯器的查尋表中，圖8是以計算機為基礎的PWM變換器90的線路圖。變換器90包括一個三相橋路92，在其每一電極中具有電源開關，例如在第一極中的NPN晶體管94和96。二極管98和100分別與晶體管94和96并聯(lián)，以運載反向電流。電池組102連接到橋路92的直流輸出總線104和106，而且橋路92的交流輸出端頭108，110和112通過200H濾波器116連接到三相感應電機114上。
速度及位置反饋信號，例如從一個脈沖轉輪產(chǎn)生的信號，從電機114或者從電機114驅(qū)動的負載反饋到主處理機118上。主處理機118從所需的和實際的轉速信號中得到誤差信號，并且將其轉變成加到感應電機的電壓幅值R和頻率f。頻率f能變換成角度F，它是由頻率f和載波周期T計算而來的。角度F是在圖14的查尋表中所示指針A應向前推進的角度。因此，角度F決定指針A橫移過查尋表的比率。由于查尋表包含有一個周期的相電壓的瞬時值，輸出電壓的頻率就正比于角度F。幅值R是由直流電源102所提供的最大電壓值Vmax的關系式表達出來的所需要的輸出電壓峰值，如R＝ (V要求的峰值)/(Vmax)
主處理機118把數(shù)據(jù)F隨一地址一道輸出到總線120上，地址是識別總線上的數(shù)據(jù)為角度F的。然后主處理機118再把數(shù)據(jù)R隨一地址一起輸出到總線120上，該地址是識別總線上的數(shù)據(jù)為幅值R的。一個單片微計算機122，例如Intel′s 8051可以用作PWM控制器。計算機的2MH信號地址鎖存選通信號ALE接到分頻器124上，如4位計數(shù)器，以便給計算機提供250KH的定時信號。微計算機122利用數(shù)據(jù)R和F為電極驅(qū)動器準備信號，電極驅(qū)動器控制著電極的通和斷的時間。電極驅(qū)動器可以是6個開通集電極緩沖器，它們提供±15mA電流去控制電極。
更特殊的是，圖7和圖9所示波形V貯存在微計算機只讀存貯器(ROM)128中，為舉例起見，畫在機芯外邊，計算機的隨機存取存貯器(RAM)130也畫在機芯外部。貯存的V的最大值用于波形整個360電度角。在查尋表中，入口數(shù)目可以選擇任一要求數(shù)目，如1020個入口，以獲得所需的結果。
圖9表示在最大值上的V。圖10和圖11表示V的分量W和W，用它們產(chǎn)生從零到其最大值的V的全部值。W和W的值貯存在ROM的查尋表中。換言之，貯存在ROM中的分量W和W的排列如圖12和圖13所示。使用圖12和圖13的分布的優(yōu)點是符號位可從W移動到W。這樣W的全部位數(shù)都可用于幅度分解。當它是“開”“關”信號時，并且全部字節(jié)都可用時，W吸取符號位而沒有分解損耗。圖14是一個ROM圖，其中W貯存在1號查尋表中，W貯存在2號查尋表中。
如圖14所示，1號和2號查尋表的ROM圖中，指針A按照角度F的值置位在查尋表中。換句話說，每一新角F推進指針A以獲得V的新數(shù)值。然后，從指針A的新位置推進指針B經(jīng)過120度而獲得波形V，從指針A的新數(shù)值推進指針C經(jīng)過240度而獲得波形V。查尋表在指針推過360度經(jīng)過表的末端后又回到表的起始端，查尋表是環(huán)繞著的。
圖15，16和17是用于實施本發(fā)明的可存貯在只讀存貯器(ROM)128的程序流程圖。圖15是預置程序，圖16是中斷驅(qū)動程序，圖17是主控制程序。當電源打開時，圖5所示程序輸入132。136步把指針預置在隨機存取存貯器(RAM)130的先進先出(FIFO)堆棧130中，恰如指針134進入圖19的RAM圖中的FIFO堆棧一樣。堆棧含有在電極中每一變化電壓的持續(xù)時間，具有每一持續(xù)時間間隔內(nèi)的各電極的理想狀態(tài)。138步等效
進制數(shù)值的二進制計數(shù)0000 0001裝入1.02ms軟件計時器內(nèi)，如在圖22的RAM圖所示。1.02ms計時器將被除法器124的輸出每4微秒減一次，因此，在1020微秒中溢出計數(shù)為255。這就給脈寬調(diào)制功能建立起載波周期。
140步把軟件持續(xù)時間計時器置零，如圖22的RAM圖所示持續(xù)時間計時器。這個持續(xù)時間計時器包含有在電極間的上一個和下一個開關動作變化的時間間隔。
142步獲得從ROM128來的調(diào)制系數(shù)M，對于所使用的特定變換器而言它是一常量。如前所述，最大調(diào)制系數(shù)M是由在電極使用的電源開關裝置的開啟和關閉時間決定的，而調(diào)制系數(shù)產(chǎn)生鄰近于電源電壓極限值的占空比的禁帶。在以前提出的范例中，最大調(diào)制系數(shù)M選擇為0.9，但是實際值將依賴于在三相橋路92中選用的電源開關特性。
144步用2乘常量M然后由乘積減1。其結果貯存在圖22中所示的RAM圖中的位置M，如果M為0.9，M將為0.8。準備M的目的以后解釋。144步繼續(xù)進到146步，在此處轉到圖17所示主控程序的起始位。
圖22所示持續(xù)時間計時器的每次溢出，微計算機122產(chǎn)生一次中斷。它指向圖16中所示的中斷程序的起始地址150。152步把下一個持續(xù)時間間隔送入持續(xù)時間計時器。154步為下一持續(xù)時間間隔輸出三個電極狀態(tài)到輸出緩沖器，或稱電極驅(qū)動器126，如圖8所示。152步和152步得到持續(xù)時間值和三個電極的數(shù)字狀態(tài)信號，它來自圖19中所示的與FIFO堆棧有關的指針134的位置。指針134被推進到156步和158步上，計算機就回到發(fā)生中斷時的編程任務。
圖15中所示的預置程序的步驟146轉移到圖17所示的主程序的起始地址164。步驟166檢索出從RAM130來的正弦波取樣點之間幅度R和角F的最后的值。168步把角F加在圖14所示的查尋表中指針A表示的位置上。并把指針A推進到這個新位置上。170步把120度加到指針A的這個新位置上，并且移動指針B到這個新位置。步驟170則把240度加到指針A的新位置上，并且將指針C移動到這個位置上。172步從查尋表1和2中獲取W和W，而查尋表1和2是分別貯存在指針A，B和C處的。步驟172也要檢索出在圖15程序步驟144中算得的M的數(shù)值。
下面步驟，174到182，是為圖10和11所示查尋表安排的。174步確定R的值，即在下一個載波周期內(nèi)所要的峰值的電壓，是否超過M的值。如果超過的話，176步就把W的值送入如圖22RAM圖表示的RAM的位置W。如果R沒有超過M，步174就轉移到178步，在此計算一個等于(W-0.5)×(R-1)
W的值，并把此值存在位置W上。步驟174，176和178的目的是要防止電極在禁區(qū)內(nèi)被切換，該禁區(qū)就是如圖7所示的從0到(1-M)和M到1。
180步為每一電極電壓W的查尋表值乘上幅度R，然后把其積加上W。其和就是用于電極實際要求的標準幅值V，V和V，(對電池電壓而言是標稱值)。122步把這些實際要求的標準幅值轉換成在下一載波周期內(nèi)每一電極所用的總的開關“接通”的時間，這是通過把每一數(shù)值乘載波周期1.02ms獲得的。每一電極的“接通”時間內(nèi)在整個載波周期內(nèi)產(chǎn)生的平均輸出電壓通常等于極電壓的要求值。
以下公式說明用以表示程序步驟中的過程(1)M＝2M-1(2)如果R＞M，則W＝W
(3)如果R＜M，那么W＝(W-0.5)×(R-1)
W(4)V＝R×W
W(5)T＝VT以上公式中，V是1號電極的瞬時要求電壓，T是1號電極“接通”時間，T是載波周期。對2號電極和3號電極各自的時間T和T可用公式(4)和(5)用與1號電極的時間T的相同方法計算。在圖15的步驟144中執(zhí)行公式(1);在圖17的步驟174和176中執(zhí)行公式(2);在圖17的步驟174和178中執(zhí)行公式(3);在步驟180中執(zhí)行公式(4);而在圖17的步驟182中執(zhí)行公式(5)。
當使用圖12和圖13查尋表結構而不是用圖10和圖11的結構時，步驟176和178要被執(zhí)行確定W的以下邏輯式和公式的步驟代替。
如果R≤M并且W＝0，那么(6)W＝(1-R)÷2如果R≤M并且W≠0，那么(7)W＝(1
R)÷2如果R＞M并且W＝0，那么(8)W＝0如果R＞M并且W≠0，那么(9)W＝1當使用圖12和圖13所示查尋表結構時，步驟180和182也要被執(zhí)行決定T的以下邏輯式和公式的步驟代替。
如果W＝-1，那么(10)V＝W-R×W，并且(11)T＝VT如果W≥0，那么(12)V＝W
R×W，并且
(13)T＝VT圖17A表示當使用圖12和13查尋表時圖17的變換。當R超過M時，步驟174轉移到步驟200，當R不超過M時，步驟174就轉移到步驟206。步驟200檢查W是否等于零。如果是，202步就置W到零，如果W不是零，步驟200轉移到使W置到1的步驟204。
步206檢查W是否等于零。如果是，步驟208就置W等于(1-R)÷2，如果W不為零，步驟210就置W等于(1
R)÷2。
步驟202，204，208和210全部進入步驟212，此處檢查W是否等于或大于零。如果是的話，V要求的瞬時電壓幅度就由214步的W
R×W決定。如果W小于零，即為負值，216步使用關系式W-R×W決定V。步驟214和216兩者都進入到步驟218，此處決定一號電極“接通”時間作為新載波周期，它是用載波周期T乘以希望的電壓幅度而得到的載波。步驟218進入到步驟186，如前所述。
如果僅僅要使用單邊調(diào)制，例如后沿調(diào)制，182步將直接進入190步。如果要使用雙邊調(diào)制的話，即一電極開關時間不落在載波周期的禁帶內(nèi)，與不用雙邊調(diào)制而用單邊調(diào)制一樣，182步進入到186步以檢查R是否超過M。如果R超過M，那么，186步進入190。如果186步發(fā)現(xiàn)R沒有超過M，那么可以用雙邊調(diào)制，186步推進到188步。
188步?jīng)Q定雙邊調(diào)制的電極的通和斷時間，它是在載波周期內(nèi)對準的“通”的時間。圖18舉出雙邊調(diào)制一例。如果必須使用單邊調(diào)制，步驟190決定了單邊調(diào)制的通和斷的時間。圖20舉出單(后沿)邊調(diào)制一例，其中，如果電極在全部載波周期內(nèi)閉合的話，那么在載波周期的起始處它總是閉合的。
步驟188和190兩者進入到步驟192，該步驟決定了每一電極開關變化之間的持續(xù)時間，它為每一持續(xù)間隔產(chǎn)生一個三位數(shù)電極信號。持續(xù)時間和三位數(shù)電極信號貯存在RAM130的FIFO堆棧中，如圖19所示。
以圖18所示雙邊調(diào)制為例，第一電極變化發(fā)生在200μs，這個值被 入圖19中所示的FIFO堆棧的頂部。在從零到200μs時間內(nèi)，全部 打開，因而，三位數(shù)電極信號為000，這個信號也貯存在圖19所示FIF 堆棧中。下一電極電壓變化發(fā)生在300μs，它與上一極電壓變動以后有100μs的間隔。值100μs被送入FIFO堆棧中下一個位置上。在 隔200到300μs時，電極1和2關斷，電極3打開。因此，三位電極 號為001。這個過程繼續(xù)進行直到全部載波周期都已復蓋為止。當利用 一個FIFO堆棧內(nèi)的數(shù)值的同時，下一載波周期的值就被進行計算， 且存貯在相似的FIFO堆棧中，如圖9所示。
以圖20所示單邊調(diào)制為例，第一極(電壓)變化發(fā)生在200μs上此值被送入圖21所示的FIFO堆棧的頂部，在這個時間間隔上，所有 電極都閉合，因而三位電極信號為111。下一電極變化發(fā)生在400μs上這是從上一電極電壓變化發(fā)生后的800μs。因此，200μs被送入堆棧 一個位置上。在這個間隔中，電極1打開，電極2和電極3閉合。因此 位電極信號為011。這個過程繼續(xù)下去直到下一載波周期的整個信息已 處理完畢為止。
在完成步驟192以后，直到下一載波周期開始時不再做什么了。因此在194步送入等待循環(huán)。當然時間計時器的中斷將把程序指向圖16所示 續(xù)時間計時器中斷程序的地址150。
當發(fā)生了1.02ms計時器中斷，給下一載波周期發(fā)出開始信號時，步 194進入步驟195，在此處它做必要的內(nèi)務處理為下一載波循環(huán)做準備。 驟195在步驟196返回轉到主程序的起始點164上。
總而言之，本文公開的新的，改進了的PWM變換器系統(tǒng)，與現(xiàn)有 術相比，它把直流電源的利用率提高了12%。
圖中使用的參考數(shù)號一覽表圖例 參考號 圖號負載 50 1速度測試 52 1處理機 54 1PWM控制 56 1濾波器 116 8主處理機 118 8總線 ACK 120 8地址鎖存選通信號 8501 Mc計時器 122 8分頻器 124 8電極驅(qū)動器 126 8只讀存貯器 128 8隨機存取存貯器 130 8開始 132 15預置FIFO指針 136 15啟動1.02ms計時器 138 15零持續(xù)時間計時器 140 15取M 142 15M←2＊M-1 144 15到主控制程序 146 15持續(xù)計時中斷 150 16從FIFO取下一持續(xù)時間并送入持續(xù)時間計時器 152 16
圖例 參考號 圖號把實際幅值V乘1.02ms來為每一電極確定總的電源開關的“接通”時間 182 17R＞M 186 17決定雙邊調(diào)制的極電壓通和斷時間 188 17決定單邊調(diào)制的極電壓通和斷時間 190 17分類程序;確定每極電壓變化之間的持續(xù)時間，確定每一極電壓的信號并且存貯在FIFORAM中 192 171.02ms計時中斷 194 17準備下一個載波周期 195 17返回164 196 17W＝0 200 17AW←0 202 17AW←1 204 17AW＝0 206 17A1-RW← 208 17A21
RW← 210 17A2W≥0 212 17AV←W
R＊W 214 17A
圖例 參考號 圖號V←W-R＊W 216 17AT←VT 218 17A
權利要求
1.一種將一個工作在具有固定上限電壓(Vmax)和下限電壓(φ)的直流電源脈寬調(diào)制或PWM變換器的三相輸出電壓增大到最大值的方法，其特征包含以下步驟產(chǎn)生[圖7～9(V存貯在128)]大體上正弦變化的極電壓[圖4～7(V，V，V，)]，而這些電極電壓在鄰近供電電源的每個極值的預定區(qū)域內(nèi)的直為0；在每個半周期內(nèi)[圖1(38，40，42)，圖8(94，96)]每個極電壓轉換到預定的固定電源極值(Vmax或φ)時，產(chǎn)生階躍變化[圖7(58@60，64@120°，76@240°，78@300°]，極電壓波形從大致上的正弦波變化值達到固定的極限值；當預定的相應極電壓為固定時，變更每個極電壓的波形[圖17或17A]，這樣所合成的三相極一極電壓[圖4～7(U，U，U)]的波形是正弦的。
2.如權利要求
所說的方法，其中在每個半周期內(nèi)的60°電度角中，開關階躍將每個極電壓保持在電源電壓極限值。
3.如權利要求
1或權利要求
2所說的方法，其中，在正向負向變化的半個周期內(nèi)，開關階躍分別將每個極電壓維持在電源電壓的固定上限(Vmax)和下限(φ)極值上。
4.如權利要求
1或3所說的方法，包括有在一存貯器〔圖8(128)〕中存貯〔圖14〕理想的極電壓波形的步驟。
5.如權利要求
4所說的方法，其中，在一個存貯器中存貯理想極電壓波形的步驟包括有在第一查尋表〔圖14(W)〕中貯存的波形變化部份和在第二查尋表(W)中貯存的該波形的固定部份的步驟。
6.如權利要求
5所說的方法，包括的步驟有，對變換器提供〔圖8(128);圖15(142)〕最大調(diào)制系數(shù)M并提供〔圖8(130);圖17(166)〕瞬時供電電壓最大系數(shù)R，并且包括有修改來自第一查尋表中的值的步驟〔圖17(180)，圖17A(212-216)〕，該第一查尋表響應于M和R之間的一個預定關系式〔圖17(174)，(176)，(178)〕〔圖17A(174-210)〕。
7.如權利要求
6所說的方法，其中所說的關系式是指R有關于一個等于兩倍的調(diào)制系數(shù)M減1的數(shù)值。
8.如權利要求
5或權利要求
6所說的方法，其中W包含正值和負值〔圖10，11〕，而W的值則都是相同的極性值。
9.如權利要求
8所說的方法，其中有以下步驟為變換器提供最大的調(diào)制系數(shù)M〔圖8(128)，圖15(144)〕;提供一個瞬時的理想的最大供電電壓的系數(shù)R〔圖8(128)，圖17(166)〕;設置一個等于2M-1的變量M〔圖15(144)〕;設置一個變量W，當R超過M時它等于W〔圖17(176)〕;設置一個變量W，當R不超過M時它等于(W-0.5)(R-1)
W〔圖17(178)〕;然后根據(jù)關系式WR
W決定對一個極電壓的實際需要的電壓幅值V〔圖17(180)〕。
10.如權利要求
9所說的方法包括以下的步驟將理想的極電壓波形分為許多載波周期，每個具有持續(xù)時間T，〔圖8(124)〕，然后按照關系式VT決定將電極“通”的時間T〔圖17(182)〕;
11.如權利要求
5或權利要求
6所說的方法，其中W的值都是極性相同的〔圖12，圖13〕，而W則既包括正值也包括負值;
12.如權利要求
11所說的方法包括的步驟如下為變換器提供最大的調(diào)制系數(shù)M〔圖8(128)，圖15(144)〕;提供一個瞬時的理想電源電壓的最大值的系數(shù)R，〔圖8(128)，圖17(166)〕;設置一個等于2M-1的變量M〔圖15(144)〕;判斷R是否超過M〔圖17A(174)〕;判斷W是否等于零(200，206);設置一變量W，當R超過M而W等于零時，它趨向零(204);設置變量W，當R不超出M而W為零時它為(1-R)/2(208);設置變量W，當R不超出M而W也不為零時它為(1
R)/2(201);確定W是否為負值(212);當W為負值時，對于極電壓按照關系式W-RW確定實際要求的幅值V作為一個極電壓(216);當W不為負值時，按照關系式W-RW對實際要求的電壓幅值V進行判斷(214)。
13.如權利要求
12所說的方法包括步驟如下從每個具有時間間隔T的載波周期中構成理想的電壓波形〔圖16，19〕;按上關系式VT決定電極“通”的時間(圖17(128)〕。
14.在按照權利要求
1的方法操作的PWM變換器〔圖1(30)，圖8(90)〕包括有具有三個電源電極(電極1，2，3)的一個三相橋電路〔圖1(38，40，42)〕可連接到直流電源電壓(102)的直流輸入端(104)，(106)，該電源電壓預定的固定上限〔圖7(Vmax)〕和下限極值電壓φ;接到一個負載電路〔圖1(50)，圖8(114)〕的交流輸出端〔圖1(44)，(46)，(48)，圖8(108，110，112)〕，還包括有控制裝置〔圖1(56)，圖8(122)〕用以控制電源電極的導通時間，從而獲得大致上為正弦的極電壓〔圖4～7(V，V，V)〕，該正弦的電壓交變于電源電壓的上限和下限極值之間，而并不進入預定的區(qū)域〔M和Vmax之間，(1-M)和φ之間〕，以及鄰近的每一極值，其特征包括有所說的控制裝置包括的裝置〔圖1(38，40，42);圖8(92)，圖7～9(貯存于128的)V，圖17〕用以控制每個極電壓的各半個周期以便在預定的電度角中〔圖7(58@60°，64@120°，76@240°，78@300°〕獲得一個預定電源電壓的固定極值〔圖7(Vmax或φ〕，從而形成階躍變化，從大致上的正弦波變化電壓變?yōu)榕c固定極值相關的固定限值電壓，以增大能從非直流電源獲得的最大的極-極電壓有效值〔圖4～7(U，U，U)〕。
15.如權利要求
14所說的PWM變換器，其中控制裝置包括一個存貯器〔圖8(128)〕，一個極電壓的理想的最大波形存貯在該存貯器中。
16.如權利要求
15所說的PWM變換器，其中在存貯器包括有第一和第二查尋表〔圖14〕，而極電壓波形的變化部份的值(W)存貯在第一查尋表內(nèi)，極電壓波形的固定部份的值(W)則存貯在第二查尋表內(nèi)。
17.如權利要求
16所說的PWM變換器包括有一些裝置〔圖17(180)，圖17A(212-216)〕，用于變更響應于預定關系式的〔圖17(174)，(176)，(178，圖17A(174-210)〕第一查尋表的值，該關系表達了變換器調(diào)制系數(shù)與從變換器輸出的理想電壓在任何瞬時的關系。
18.如權利要求
14所說的PWM變換器中，當每一極電壓都處于預定電源電壓的固定極限值時，控制裝置改變預定的變化著的極電壓的幅值，提供正弦的極-極電壓。
19.如權利要求
14或18所說的PWM變換器，其中預定的電角度是60°，它在每一極電壓的每一半周期中中心對稱。
20.如權利要求
1所說的PWM變換器，其中極電壓波形除了在每個半周期預定電角度數(shù)中被轉換為電源電壓極值外，還被整形〔圖2，7(U，U，U)〕，這樣當一個極電壓的固定部份與一個預定的變化極電壓失量合成時，其結果就得到一個正弦的極-極電壓。
專利摘要
使在一個PWM變換器中的三相極一極輸出電壓有效值得以增大，以便更有效地利用一個固定的直流電源裝置及方法，這是通過產(chǎn)生大體上正弦變化，并且在鄰近于每個電源電壓極值的預定區(qū)域中沒有數(shù)值的極電壓，通過開關變換使每個極電壓在每半個周期中的預定的電角度內(nèi)保持在電源電極值〔V
文檔編號H02M7/5387GK86100937SQ86100937
公開日1986年9月17日 申請日期1986年2月18日
發(fā)明者威廉姆·羅伯特·卡普圖, 阿蘭·勞斯·胡森, 肯尼思·康·利 申請人:西屋電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan