RPWM技術(shù)在噪聲的工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用方案

在功率電子中，根據(jù)特定應(yīng)用，已經(jīng)成功地采用了幾種脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案。大多數(shù)傳統(tǒng)PWM方案（本質(zhì)上是確定性的）生成預(yù)定的諧波含量。這可能會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生許多問(wèn)題，如噪聲、無(wú)線電干擾和機(jī)械振動(dòng)。在需要減輕對(duì)環(huán)境和其他設(shè)備的干擾的應(yīng)用中，例如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、牽引驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)汽車，傳統(tǒng)的PWM方案因自身原因不能高效地運(yùn)行，需要添加如電磁干擾（EMI）濾波器等附加設(shè)備。有一種方法可以應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，就是增加傳統(tǒng)PWM方案的開關(guān)頻率，即＞ 18kHz。不過(guò)，這會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗顯著增加。在這種應(yīng)用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制（RPWM）可以有效地減輕這些問(wèn)題，且不用顯著增加開關(guān)頻率。

在RPWM中，每個(gè)開關(guān)脈沖的寬度隨機(jī)變化。這導(dǎo)致諧波簇在很大范圍內(nèi)擴(kuò)散，從而減小了單獨(dú)濾波器的尺寸，或完全避免在某些應(yīng)用中使用濾波器。RPWM技術(shù)已成功用于許多功率電子應(yīng)用中，例如 在需要檢查噪聲的工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器中。

通常，使用DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)用于復(fù)雜商用系統(tǒng)的高頻PWM和RPWM信號(hào)。不過(guò)，這些器件更通用、功能更強(qiáng)大、且更靈活，自然也就比較貴。使用低成本的Dialog CMIC可以滿足RPWM生成所需的相似精度和高頻時(shí)序要求。許多合適的RPWM方案，尤其是開環(huán)應(yīng)用，可以用Dialog CMIC來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，嵌入式DSP、MCU或FPGA的顯式編程或編碼可以由GreenPAK？ designer中提供的簡(jiǎn)單接口所取代。此外，整個(gè)控制電路的尺寸也會(huì)顯著減小。

有幾種方法可以為三相逆變器應(yīng)用生成RPWM。此應(yīng)用筆記中，我們介紹了一種合適的RPWM技術(shù)，它可以使用現(xiàn)成的GreenPAK CMIC資源來(lái)實(shí)現(xiàn)。RPWM技術(shù)使用雙矩陣CMIC SLG46620實(shí)現(xiàn)。還提供了適當(dāng)?shù)睦碚摻ㄗh和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括輸出電壓波形及其諧波含量，可以證明所建議的策略是合理的。

建議的RPWM方案

驅(qū)動(dòng)三相逆變器的RPWM方案的框圖如圖1所示。

圖1：建議方案的框圖

兩個(gè)鋸齒信號(hào)，標(biāo)記為p2和p3（值范圍：0－1），相位相差180°C，與恒定值p1（值范圍：0－1）進(jìn)行比較，得出標(biāo)記為p5和p6的不同類型的脈沖。p5和p6脈沖的波形如圖2和圖3所示。采用圖4所示波形的二進(jìn)制偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（標(biāo)記為p4），使用上面框圖中所示的邏輯運(yùn)算符從信號(hào)p5和p6中隨機(jī)選擇一個(gè)脈沖。這會(huì)生成一系列脈沖p10，如圖5所示。信號(hào)p10通過(guò)AND門，同樣的還有脈沖發(fā)生器1到6所生成的10ms長(zhǎng)脈沖，標(biāo)記為p11、p12、p13、p14、p15和p16。請(qǐng)注意，對(duì)于完整的180？C導(dǎo)通模式，脈沖發(fā)生器的輸出脈沖相對(duì)于彼此有60？C的相位差。最后，在AND操作之后，信號(hào)p17、p18、p19、p20、p21和p22成為三相逆變器的功率級(jí)中采用的功率開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

根據(jù)施加的柵極信號(hào)接通和斷開開關(guān)（通常是MOSFET或IGBT），以獲得逆變器輸出端的三相平衡電壓波形。

圖2：RPWM方案中幾個(gè)階段的模擬信號(hào)波形

在Matlab／Simulink環(huán)境中對(duì)50 Hz（基波）RPWM三相逆變器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，相間輸出波形如圖3所示。輸出電壓波形有效地由隨機(jī)信號(hào)p10調(diào)制，并實(shí)現(xiàn)120 ？C 的相移。

圖3：模擬的輸出相間電壓波形

參考值的選擇

參考信號(hào)p1提供了一種根據(jù)主觀聲響應(yīng)控制特定應(yīng)用的逆變器輸出的頻譜內(nèi)容的方法。從1到0．5的參考值變化使頻譜內(nèi)容變平，從而減輕了開關(guān)頻率倍數(shù)處的尖峰。不過(guò)，這也降低了信號(hào)基波分量的幅度。圖4顯示了對(duì)于Vdc ＝ 312V和載波頻率＝ 12．5kHz，輸出相間電壓的頻譜內(nèi)容如何在參考值從p1 ＝ 0．8減小到p1 ＝ 0．5時(shí)發(fā)生變化。

圖4：頻譜隨參考值的變化而變化

不推薦將參考值進(jìn)一步降低到0．5以下，因?yàn)殚_關(guān)頻率的倍數(shù)尖峰開始增多，而且基波分量也會(huì)降低。

GreenPAK設(shè)計(jì)

圖5：SLG46620在RPWM方案中的角色

圖5顯示了Dialog CMIC SLG46620如何在整個(gè)方案中發(fā)揮功能。CMIC的基本操作是生成隨機(jī)PWM調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)施加在逆變器功率級(jí)中使用的開關(guān)裝置的柵極端子處。

圖6：設(shè)計(jì)矩陣0

圖7：設(shè)計(jì)矩陣1

逆變器輸出電壓的基頻選擇為50 Hz。選擇SLG46220是因?yàn)樗峁┝俗銐虻馁Y源來(lái)執(zhí)行預(yù)期的設(shè)計(jì)。矩陣0和1設(shè)計(jì)分別如圖6和圖7所示。在矩陣0中，通過(guò)以級(jí)聯(lián)（concatenated）方式連接DFF，并在反饋環(huán)路中使用異或門生成偽隨機(jī)信號(hào)（PBRS）P0，如圖6所示。DFF由來(lái)自振蕩器模塊OUT0的12．5kHz時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于鋸齒載波信號(hào)的生成，建議使用FSM塊。在UP ＝ 0的設(shè)定模式下配置的FSM0和FSM1分別由計(jì)數(shù)器CNT1／DLY1和CNT3／DLY3饋送，生成頻率為1．6875MHz的脈沖。兩個(gè)FSM中的計(jì)數(shù)器值設(shè)置為134（輸出周期80 us），以實(shí)現(xiàn)所需的12．5 kHz分立鋸齒信號(hào)。為了在兩個(gè)鋸齒信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)180 °C相移，在FSM1使用由CNT9／DLY9饋送的管道延遲40μs后，啟用FSM0。

兩個(gè)鋸齒波載波信號(hào)通過(guò)FSM0和FSM1的Q字節(jié)輸出端口饋入DCMP0和DCMP1，與恒定參考信號(hào)（在寄存器DCMP0和DCMP1內(nèi)配置）進(jìn)行比較，如圖7所示。由于計(jì)數(shù)器運(yùn)行達(dá)到值134，參考值相對(duì)于134給出，例如67等于0．5（67／134）的值。兩個(gè)DCMP（p5和p6）的輸出進(jìn)一步與來(lái)自LFSR（p4）的輸出信號(hào)及其反相值（p7）一起傳遞到兩個(gè)AND門。向或門饋入這些AND門的輸出，以隨機(jī)獲得DCMP的兩個(gè)輸出之一?；蜷T的輸出（p10）還進(jìn)一步用于調(diào)制逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

計(jì)數(shù)器CNT0 ／ DLY0被配置為生成周期為10ms的脈沖，以便生成50Hz頻率（基波）的輸出電壓。這些脈沖被饋送到以反相模式配置的DFF，輸出反饋到輸入，以生成50Hz方波脈沖序列。為確保標(biāo)記為p11至p16的輸出脈沖相位相差60 °C，建議使用管道延遲模塊。將計(jì)數(shù)器CNT5／DLY5、CNT6／DLY6和CNT7／DLY7級(jí)聯(lián)以提供周期為3．33ms的脈沖。這些脈沖通過(guò)非門饋入管道延遲，因?yàn)楣艿姥舆t通過(guò)計(jì)算輸入上升沿的數(shù)量產(chǎn)生延遲，而計(jì)數(shù)器通過(guò)復(fù)位輸入復(fù)位為0，生成重復(fù)的下降沿，周期為3．33 ms。輸出0和1的管道延遲分別為輸入脈沖提供3．33 ms和6．66 ms的時(shí)間延遲。三個(gè)信號(hào)，即管道延遲的輸入和兩個(gè)延遲輸出，被進(jìn)一步反相，以提供彼此相移60°的共6個(gè)脈沖（p11－p16）。這些50 Hz、60？C相移脈沖與隨機(jī)脈沖序列（p10）一起進(jìn)一步被傳遞到AND門，為3相逆變器提供最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們開發(fā)了圖8中描繪的硬件原型，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的RPWM方案。為確保同一支路中的兩個(gè)開關(guān)不會(huì)同時(shí)打開，我們?cè)谟布猩闪艘粋€(gè)死區(qū)。

圖8：原型硬件

圖9：放大的相間輸出電壓波形

圖10：參考值為0．8的Vab、Vac和FFT

圖11：參考值為0．5的Vab、Vac和FFT

圖9顯示了輸出相間電壓的放大波形。很明顯，波形是根據(jù)需要隨機(jī)調(diào)制的。

在圖10中，顯示了輸出相間電壓信號(hào)Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）。此外，還顯示了參考值≈0．8（107／134）的Vab（紅色）的FFT圖。盡管頻譜中的擴(kuò)展是明顯的，但是如理論所示，觀察到兩倍于開關(guān)頻率的尖峰，即25kHz。

圖11顯示了參考值＝ 0．5（67／134）時(shí)的輸出相間電壓信號(hào)Vab（黃色）和Vac（藍(lán)色）以及Vab（紅色）的FFT圖?？梢钥吹筋l譜變得更平坦，而且實(shí)現(xiàn)了顯著的擴(kuò)散。

總結(jié)

可以使用不同的技術(shù)生成用于三相逆變器的RPWM信號(hào)，通常在工業(yè)應(yīng)用中使用較貴的DSP和FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。在本應(yīng)用筆記中，我們介紹了使用低成本Dialog SLG46620 CMIC實(shí)現(xiàn)針對(duì)三相逆變器應(yīng)用的RPWM生成技術(shù)。通過(guò)恰當(dāng)?shù)哪M和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)確定所提出的技術(shù)是有效的，SLG46620 IC提供了足夠的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。