第２３页
ur??sin?rt （4-1）
其中，?称为调制度，0???1，?r为信号波角频率。则可以知道，三角波一 周期内，脉冲
两边间隙宽度：
1??sin?rtD2? （4-2）
?/2TC/2则可以得出得：
??
在三角波的一个周期内，脉冲两边的间隙宽度δ'为：
T1?rtD) （4-4） ???(Tc??)?c(1??sin
24对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相SPWM波形。通常三相的三角波载波公用，
三相调制波相位依次差120?，同一个三角波周期内三相的脉宽分别为?U、?V和?W，脉冲
Tc(1??sin?rtD) （4-3） 2?和?W?、?V?，同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，则可以求两边的间隙宽度分别为?U出：
323?????????TC U（4-6） VW4?U??V??W?TC （4-5）
可以简化生成三相SPWM波形时的算式如下： ?U? ?V?TC(1??sin?rtD) （4-7） 2TC2(1??sin(?rtD??)) （4-8） 233TC??U??V （4-9） 2 ?W?如果要求逆变器输出任意波形，其脉冲宽度计算公式如下： ?U?TC(1??ua(t)) （4-10） 2TC(1??ub(t)) ?V?（4-11） 2 ?W?TC(1??uc(t)) （4-12） 2式中，ua(t)、ub(t)和uc(t)分别为A、B、C三相任意波形的瞬时值。
第２４页
4.4 SPWM波形的实现
上面分析了SPWM的基本原理，这种脉宽调制的一个重要特点是输出波形中基本不包含低次谐波，在脉宽输出波中基本不包含低次谐波，在脉宽输出波中仅存在与载波频率相近的高次谐波。当载波频率为12.8KHz时，输出电压的最低谐波都在几千赫，这样滤波器可以大大减小。对SPWM的脉宽进行调节，可以得到不同幅值的正弦波电压。
SPWM的控制方法总体上可分为两大类：一类是用模拟器件实现SPWM波形，称为模拟控制方法；另一类是用数字器件实现SPWM波形，成为数字控制方法。现在模拟控制方法已经很少在使用，主要都采用数字控制方法。数字控制方法又可分为三种：一种是用微处理器通过软件生成SPWM波形；另一种是使用专门用于SPWM控制的集成电路芯片产生的SPWM波形；在一种就是采用微处理器和专用集成电路相结合的方法，共同完成控制功能。
4.4.1 模拟调制方法
模拟调制是信道传输频率特征的需要，实现了信道复用，并且改善了系统的抗噪
声性能。模拟调制包括线性调制（幅度调制）和非线性调制（角度调制）。
图4-5 控制调制原理图
如图4-5，这是一种模拟调制方法，三角波为载波，正弦波为调制波。当载波频率比调制波频率大得多时，可以近似认为在一个载波周期调制波电压不变，设为US。三角波幅值为?Ua。当调制信号Um与载波信号UC相比较时，利用其交点时刻的输出信号，就可以得到宽度与调制信号幅值成正比的脉冲序列Ug。脉冲波形的占空比为D?12?Us2Ua，把它作为门极控制信号，经驱动后控制逆变器开关的通断，在一个载波周期它的平均电压为US?VCUa，当US成正弦变化时，显然平均电压也成正弦形式。通过调节正弦波发生器的信号Um的幅值和频率，我们可以对逆变器的输出电压进行调节。
使用该方法实现SPWM波形原理简单，但要有产生载波信号和调制波信号的模拟电路。需要很多器件，电路比较复杂，抗干扰性较差。
4.4.2 SPWM 芯片控制
随着微电子技术的发展，开发出一些专用于发SPWM控制信号的集成电路芯片，应用这些芯片比用软件生成SPWM方便得多。已投入市场得专用芯片有HEF4752、SLF4520、MB63H110等。有些单片机本身就带有直接输出SPWM信号的端口如8XC196MC，使用这种芯片产生SPWM波也比用纯软件方法要方便。
HEF4725是Mullard公司开发的专门生产三相SPWM信号的大规模集成电路。该电路不需要微处理机配合即可实现SPWM控制，其输出信号经过隔离放大后，可驱动全控型器件逆变器，也可以驱动晶闸管逆变器，输出频率在1赫兹到上百赫兹之间可连续可调。如图4-6是HEF4752的引脚图。
第２５页
图4-6 HEF4752引脚图
4.5 本章小结
本章研究了超级电容储能与控制系统的控制技术—PWM。对本设计采用的SPWM控制方法进行分析，确定其可行性与优良性，并对其波形的产生做了一定的数字论证。
第２６页
5 超级电容控制系统的设计
本章在超级电容器储能系统主电路设计的基础上，进行了功率电路和控制电路设计。
5.1 超级电容器控制系统的主电路构成
超级电容器储能系统短时供电结构如图5-1所示：
图5-1 超级电容控制系统主电路结构图
储能系统主要由三部分组成：整流部分，逆变部分和超级电容器。整流部分采用三相全桥整流电路。逆变部分采用三相电压型逆变电路，功率器件为IGBT，逆变器的出口连接一个由电容和电感组成的低通滤波器，滤波后对负荷进行供电。
5.2 功率主电路的设计
在如今中等功率的电力电子器件应用中，IGBT将取代GTR和MOSFET成为主流。IGBT，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。这些都保证了IGBT在逆变器功率开关器件中的适用性。
本设计中逆变器的功率开关采用智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）。IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
第２７页
图5-2 IPM外形
IPM不仅具有低功耗、桥臂对管互锁、抗干扰能力强，而且IPM具有强大的保护功能，包括欠压保护、过流保护、短路保护和过热保护。因此，在实际生产中得到了广泛的应用。
5.3 DSP控制电路和抗干扰设计
5.3.1 DSP控制电路的设计理论
DSP，即数字信号处理器，是一种适用于数字信号处理的高性能处理器,它不仅具有可编程性，而且实时运行速度远远超过通用微处理器。
为实现系统高速度、高精度的采集并处理数据，核心处理器的选型极为重要。DSP的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源。C5000系列主要特点是低功耗，处理速度快；C2000系列（定点、控制器）芯片具有大量外设资源；C6000系列以高性能著称，32bit，只提供BGA封 装，只能制作多层PCB，且功耗较大。 由于数字电路较模拟电路相比，具有许多优势，因此控制电路采用TMS320C5410 DSP芯片及其外围电路构成，主要包括：存储器扩展电路、模拟/数字转换接口电路、PWM控制信号输出电路和保护电路等部分。控制电路的总体结构框图如图5-3所示。
图 5-3 控制电路结构框图
5.3.2 TMS320C5410芯片的基本介绍
在本系统的设计中，选取16位的定点DSP TMS320C5410作为数字信号处理模块的核心处理器，它是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片。TMS320C5410 的基本结构分为CPU、存储器以及片内外设与专用硬件电路三大类。其中，CPU采用改进型的哈