1引言
由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。三相变频电源的主电路及控制电路按照三套独立的单相电源进行设计。主电路采用交一直一交结构，包括整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波及变压器等组成部分。其中，交-直部分为桥式整流，经交流接触器软启到电解电容滤波，得到平稳电流。三套单相逆变电路输出互差120电角度，在变压器原边彼此电气独立，在变压器副边接成星形，输出所要求的三相交流电。电压及波形控制针对单相输出，采用了三套独立的单相控制器，使三相电源的任一相均可以作为单相电源独立使用，并可适应任意不平衡负载，从而极大的提高了电源的负载适应能力。
2系统总体设计方案
AC/DC即为将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
将市电通过隔离变压器输入到交流变频电源系统，隔离变压器的输出经过整流桥后，产生全波整流信号。全波整流信号滤波生成与输入交流电对应的直流电，从而实现AC／DC转换。该系统全波整流桥采用集成整流桥KBL406，三相逆变器模块IM14400在89S52和FPGA产生的三相SPWM脉冲控制下产生三相交流电。SPWM脉冲基波频率等于调制波频率，系统采用这种方法实现变频。将锰铜电阻分别串联到三相交流电的相线，采集锰铜电阻上的电压来测量该相交流电的电流。测量相电压采用电压互感器降压，再通过AD637测量有效值。系统根据得到的各相交流电的有效值，控制SPWM脉冲的占空比，实现线电压的稳定输出。系统采用等精度法实现变频电源系统频率的测量，根据测量的频率值和用户没定频率的差值，控制DDS生成正弦波频率，从而稳定变频电源的频率。图1给出了系统总体框图。
3系统主要功能的实现
3.1逆变功能
为实现方便，提高性能，采用集成逆变器模块lM14400设计。在相应的三相SPMW控制下，输出三相交流信号。IM14400是Cyntec公司的IPM系列器件的三相电机驱动器，它包含三相桥式逆变电路及相关控制、驱动电路。控制简单，适合该系统应用。图2示出IM14400电路接线图。图2中，在IM14400的P、N端施加整流输出电压，经过光耦隔离、晶体管驱动后的SPWM控制信号输入到IM14400，之后可在U、V、W端得到满足幅值要求的SPWM信号。
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。PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
3.2PWM信号的产生方式
按照SPWM控制基本原理，在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。如果采用自然采样法，会增加硬件的复杂度，但因该系统是以FPGA为控制核心，可方便地实现。把正弦波波形表存人存储器中，同时利用加法器和减法器生成三角形载波，再通过数字比较器产生所需要的波形。该方案具有可靠性高，可重复编程，响应快，精度高等特点，其原理如图3所示。
3.3 SPWM调制方式的选择
载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时PWM脉冲在一个周期内的个数是恒定的，脉冲的相位也是固定的，将调制比设定为3的整数倍时，可以使输出波形严格对称，从而有效降低信号的谐波分量。但是，当逆变电路的输出频率比较低时，同步调制载波的频率也很低，过低时不易滤除调制带来的谐波，当逆变电路的输出频率很高时，同步调制载波频率也过高，这将使开关器件的开关损耗增大。
载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变，当调制正弦波的频率发生变化时，载波比跟随变化，在调制波的一个周期内PWM脉冲的个数不固定，相位也不固定。正负半周期脉冲不对称，半周期内前后周期的脉冲不对称，造成信号的谐波分量较丰富，给后级滤波电路造成困难。
该系统的逆变器输出频率在20～100 Hz，输出信号的频率较低。设计采用IM14400作为逆变电路，IM14400的PWM输入频率范围为5 kHz～0.3 MHz，可以选择很高的载波比。在异步调制方式下，当载波比很大时，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小，PWM脉冲接近正弦波。
4理论分析与参数计算
4.1 SPWM逆变电源的谐波分析
在调制度α一定，在三相共用一个载波信号的情况下，对输出线电压进行频谱分析，由此可发现，输出线电压的谐波角频率为：
由式（1）可知，输出线电压频谱中没有载波频率ωc的整数倍次谐波分量，谐波中幅值较高的谐波分量是ωc±ωr和2ωc±ωr。
从上述分析可知，SPWM波形中所含的谐波主要是角频率为ωc、2ωc及其附近的谐波。由于采用了异步调制方式，故最小载波比k=ωc／ωr=168，所以PWM波形中所含主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多，谐波分量易被滤出。
4.2载波频率的选择
由SPWM逆变电源的谐波分量分析可知，SPWM电压源逆变器输出线电压谐波分量分布在ωc周围，提高SPWM的载波频率fc将使逆变器输出线电压的主要谐波分量分布在较高的频段，从而使逆变器的输出电压失真度很低。但是提高fc，会使逆变器中功率开关管的开关频率提高，这将大大增加逆变器的开关损耗。此外，fc提高还受到硬件的限制。通常情况下IM14400的关断延迟Toff=0.9μs，开启延迟时间Ton=0.73μs，由于其关断延迟大于开启延迟，易造成同一相上下两个桥臂同时导通。实际电路中由于硬件的时延，SPWM采样时刻的误差，以及为了防止同一相上下两个桥臂同时导通而设置了死区。IM14400的最小死区时间tdead设为3 μs。SPWM脉冲的每一个开关脉冲之前都要加一个至少3μs的死区时间tdead，当IM14400的开关周期Tg≥3 μs，Tg和载波周期Te相等，所以fc≤0.33 MHz。IM14400要求输入的最低PWM脉冲频率5 kHz，所以5 kHz≤fc≤0.33 MHz。死区和开关时延是限制fc提高的最主要因素。fc越大，Tg越短，tdead／Tg就越大，逆变器的输出电压谐波分布也越复杂。
综上因素考虑，系统设计中选定fc=29.2 kHz，它在20～100 Hz的频率范围内，其载波比292
4.3 FPGA内单相平均功率计算算法
5系统软件设计
该系统软件主要分为人机交互和反馈控制两部分。前者主要包括键盘和电压、电流、频率的测量值显示；后者主要确保系统的准确性和稳定性，分为频率反馈控制、电压反馈控制及缺相保护、过流保护。输出电压的稳定性相当重要。由于输入电压的波动范围在额定值90～110％之间，因此要求输出电压稳定在36 V，误差绝对值小于1％。程序采用定时检测线电压的大小并与预置电压作比较，当测得的线电压比给定电压小时，则调节SPWM的调制比N，提高输出电压。图4给出程序流程图。
6测试结果
对基于AM14400的三相正弦波变频电源进行了测试分析。图5给出了空载下，交流输入电压为220 V时，上电压UU、UV、UW相电压实测波形。由图5可知，空载时三相电压有效值的最大误差小于0.1 V。图6示出接入Y型负载，频率取60 Hz，线电压有效值应为36 V时，线电压的实测波形，由图6可知。
7结语
该系统充分利用FPGA编程方便，产生载波比可变的SPWM信号，采用该信号控制IM14400，可获得频率在20～100 Hz范围任意可调。电流在0.5～3.0 A变化，电压有效值可稳定在约36 V的三相正弦波。