EDA软件在三相SPWM变频调制器电路设计中的应用

1 SPWM变频调制器的模拟控制

在变频调速技术中，作为两大难题之一的SPWM控制方式，虽然已经在先进的微机控制技术中得到很好的解决，但在调制中。正弦波与三角波交点所对应在时间上的开关点的选择计算，是SPWM信号生成中的一个难点。在采样法中，参数确定的实时计算与控制，因查表定时的相关参数需占用计算机太多内存和时间，而仅限于频率段较少的场合。在最佳法中，为去掉指定阶次的谐波，使计算工作量很大。而利用模拟、数字及模数混合集成器件等组成的三相对称SPWM调制器，可以既简单又方便的完成其主要功能。归纳SPWM调制的主要过程如图1所示。

 

图1 SPWM调制器原理框图

框图中，频率给定/积分、函数发生器、绝对值运算器和压控振荡器部分电路的主要作用，是产生一幅值恒定、频率可调且升降变化速度受限的标准正弦波电压信号ur，极性鉴别器用于对电动机旋转方向选择的判断，输出作用三相正弦波发生器并使其相序改变。三相正弦波发生器输出ura、urb、urc三角波发生器输出信号uc经比较器输出三相对称SPWM调制信号uca、ucb、ucc。

2 三相SPWM模拟控制变频调制器

在电路的实际设计中，为实现三相SPWM变频调制器的功能，全部电路由七个子电路组成，其功能框图如图6所示。通过计算机，借助电子设计自动化软件Multisim7，利用其提供的设计、仿真功能，完成令部设计。

(1)正弦波发生器及积分/移相环节

电路如图2所示，由通用集成运放F741及部分电阻、电容、稳压二极管等组成RC低频振荡器和积分/移相环节，采用将RC参数与积分/移相环节参数统调的方法，选择Rw1=Rw2=Rw3=20k的同轴六联电位器RWA，生成频率可调、幅值稳定的标准正弦波信号uro为使电路能快速起振而输出波形又不失真，选择R2=100k≥2R1。在负反馈回路上串入两并联的二极管，用于限幅。综合限幅同路调节电阻Rw3，对R1选用不同值时的输出波形进行计算机仿真，结果如图3所示，最终确定R1=9k。

 

图2 正弦波发生器/积分移相环节

 

图3 R3为不同值时的输出波形

在积分/移相器的基础上，增加由Rw5组成的负反馈可调电阻，构成比例积分环节，用于在改变RC参数进行变频时，抑制输出波形的畸变，使其迅速、稳定的形成正交输出。通过仿真，调出最佳数值。

(2)三相对称正弦波发生器电路以标准正弦波电压ur为参考相量，经积分电路，得到与ur在相位上互差90度的正交信号电压uo1，通过反相、比例加法器对ur和uo1的运算处理，将ur分解出幅值恒定、频率随ur可调、在相位上与之互差120度的三相对称交流电压信号uA、uB、uC。利用Multisim7软件中提供的四综示波器，对三相波形进行分析，调整Rw4阻值及比例加法器的放大倍数，得到三相对称正弦交流电压波形，为SPWM调制提供三相基准正弦信号。图4为三相正弦波高频起振及变频调谐的过程。

 

图4 三相对称正弦波起振及变频过程仿真

(3)三角波发生器电路

由同相滞回比较器和单时间常数有源积分构成三角波发生器，输出载波电压信号ut，其频率ft和幅值由取样电位器和鼻环电压放大倍数来决定。输出波形如图5所示，根据调频的范围，可调节积分电容C改变ft，以达到分段同步调制的目的。

 

图5 三角波发生器输出波形

(4)比例取样环节

由同轴多联电位器RWA中的RW8～RW10和分压电阻组成。设计中，在三角波幅值恒定的情况下，通过改变调制波信号幅值，改变输出电压，用以满足变频调速按f/u=C进行控制的原则。经比例取样环节中的RW8～RW10对三相基准正弦信号比例取样，得到三相对称正弦调制信号ura、urb、urc改其变其幅值，SPWM调制输出信号的脉宽随之变化，使输出电压改变。为此，需将正弦波发生器中正反馈网络的调频电位器RW1、RW2与正交移向积分环节及比例取样环节中的RW4和RW8～RW10电位器进行连调，以达到调频调压之目的。经计算机仿真，选择上述电位器的阻值均为20k。RW11～RW13用于变频器的输出转矩给定及不同频率下的转矩调节。

(5)SPWM调制

以三相对称正弦波ura、urb、urc为调制信号，三角波电压信号ut为载波信号，通过比较器输出三个SPWM调制波，仿真结果如图6所示，红色和蓝色矩形波分别表示了A、B两相在不同频率下的正弦波幅值、相位关系及所对应的双极性SPWM调制波。

 

图6 SPWM调制输出

(6)频率显示电路

由集成定时器LM555(U18)、与门74LS00(U19)及电阻R24～R26、电位器RW14电容C5等组成秒发生器，LM555(U20)、R27组成史密特触发器，用于对正弦波整形并作为计数脉冲，与秒发生器输出信号相与，经与门U17作用计数器74LS290，由两块七段显示器DCD—HEX(U13、U16)显示给定和运行频率(1～99Hz)。

(7)换相控制电路

有两块四双向模拟开关CD4066、转换按钮J1及接地电阻组成。通过对J1的操作，可使三相SPWM调制波U、V、W换相输出。

3 电路原理框图

电路中各环节的控制关系如图7所示。

 

图7 电路原理框图

4 PCB板制作

利用Multisim7完成对电路原理进行的前端设计后，通过其主菜中提供的Transfer(转换)功能，选择Transfer to Utiboard 7，将SPWM电路原理图转换到的后端设计软件Ultiboard 7。在其界面下对PCB板进行相应设置，通过自动布线功能Autoroute/Pplace，启动自动布线器Ultiroute，分别得到SPWM调制器的PCB板图和3D视图。

5 装置的控制功能

(1)频率/转矩控制及显示

利用同轴多联电位器在正弦波、三角波发生器、积分移相、电压的比例取样环节的调节作用，对调制器进行频率、电压协调控制，以满足电动机恒转矩调速的机械特性。

(2)启动转矩的选择

根据电机所带负载对启动特性的要求，可单独调节不同启动频率下所需的电压。

(3)换相控制及显示

用于三相交流电机的正反转控制。

6 结束语

设计中，需要掌握一定的电工电子技术基础知识，了解变频器内部的基本结构，熟悉Multisim7和Ultiboard7的功能和使用。同时还要具有分析和解决问题的能力，灵活应用器件的特性，在元器件参数的调节与确定，验证设计思路的正确与否、设计方案的确定等过程中，电子线路的自动化设计软件Multisim7和Ultiboard7对设计的进行起到了极其荚键的作用。