數位脈寬調變產生器電路設計

數 位 脈 寬 調 變 產 生 器 之 目 的 在 於 控 制 三 相 全 橋 換 流 器(three-phase full-bridge inverter)六個上下臂開關導通與否，其架構如圖4.17，圖中的功率半導體開關元件為絕 緣閘雙載子電晶體(Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT)，也可以BJT、MOSFET等元 件取代，而與每個開關元件並聯的反相二極體其功能為，由於馬達屬於電感性負載，

當電壓命令極性改變時，會產生反相電流，此二極體提供了此反相電流路徑以保護開 關元件。

同時，直流鏈(DC link)提供給換流器為電壓源，所以當換流器同一相的上下臂開 關同時導通時，會有一大電流通過，可能損壞開關元件，而且，在實際情況中，閘極 端輸入電容不可能為無窮大，所以開關元件無法瞬間關閉，因此控制上下臂開關導通 的訊號必須有一定長度的時間隔，以確保上下臂開關不會同時導通，這個操作上的限 制會影響輸出電壓的最大值以及控制的線性度。

Vs

S1 S3 S5

S4 S6 S6

PMSM Cs

D1 D3 D5

D1 D2 D3

+

−

圖4.17 三相全橋換流器架構圖

由於馬達所產生的電磁轉矩正比於電流的大小，因此換流器可以藉由開關元件的切換 使各相線圈流過適當大小的電流。本論文是利用斜坡比較(ramp comparison)的電流調節 方式如圖4.18，相較於磁滯比較其優點在於開關的切換頻率固定。斜坡比較是將電流控 制器輸出的電壓命令與三角載波vtri比較，產生每相上下臂開關的脈寬調變訊號，控制 開關的導通狀態，另外，開關切換頻率等於三角載波的頻率，所以切換頻率可透過改 變三角載波的頻率改變。

PWM Current

Controller +

_

Triangular carrier

signal

+ _ i

i

v

v

圖4.18 斜坡比較電流調節方塊圖

數位脈寬調變訊號產生器電路包含鋸齒波參考訊號產生器與比較器及無效時間 (dead-time) 產 生 器 兩 部 分 ， 其 工 作 原 理 為 ， 電 流 控 制 器 輸 出 的 三 相 電 壓 命 令 (VAREF,VBREF,VCREF)與鋸齒波參考訊號比較後，產生三相互補的六個脈寬調變訊 號。此外，為了防止上下臂開關同時導通，而使開關元件損壞，六個脈寬調變控制訊 號需加上無效時間，而acnt為設定無效時間之暫存器，無效時間設定範圍為1 usec~7 usec。而servo為馬達啟動訊號，當 servo=1 時，脈寬調變訊號正常輸出至換流器開關 驅動馬達，當 servo=0 時，脈寬調變訊號使換流器上下臂開關皆不導通，其電路方塊 圖如圖4.19。

圖4.19 數位脈寬調變訊號產生器電路方塊圖

4.3.1 鋸齒波參考訊號產生器與比較器

此電路的目的在產生鋸齒波參考訊號與調變訊號比較，以得到想要的脈寬調變波 形輸出，如圖4.20所示。當 servo=0 時，上數計數器的計數值會設定為-500且計數器 不會動作，直到 servo=1 時，上數計數器才會動作，當計數值超過500則會重置為-500，所以可以得到振幅為500的鋸齒波參考訊號。當參考訊號小於調變訊號時，則上 臂的PWM訊號輸出高準位，而下臂的輸出經過一反相器，故下臂PWM訊號輸出為低準 位，反之亦然。

圖4.20 鋸齒波參考訊號產生器與比較器電路實現方塊圖 4.3.2 無效時間產生器

此電路之目的在於將每一相換流器之上下臂開關均加上一段無效時間，以避免上 下臂開關元件同時導通，如圖4.21所示，這裡以單一個PWM訊號做說明。acnt為無效 時 間 之 設 定 腳 位 ，PWM_In 為 原 先 的 脈 寬 調 變 訊 號 ， 當 PWM_In 為 低 準 位 時 ， 則 PWM_Out亦為低準位，而當PWM_In為高準位時，開始比較計數器與acnt的值，當計數 值小於acnt時，PWM_Out維持在低準位到計數值大於acnt，則PWM_Out轉為高準位，

且計數器會維持這時的計數值一直到PWM_In為低準位後才會重置計數器。

圖4.21 無效時間產生器電路實現方塊圖 4.3.3 數位脈寬調變產生器電路模擬

圖4.22為數位脈寬調變產生器電路的IP方塊，輸入訊號：VAREF、VBREF、

VCREF為三相電流控制器所產生之電壓命令，以有號數10位元表示，其數值範圍(+500

~ -500)；acnt為無效時間設定參數，以無號數3位元表示，其數值範圍(0~7)；servo為馬 達 啟 動 訊 號 ；Clk 為 電 路 時 脈 訊 號 。 輸 出 訊 號 ： IN1~IN3 為 上 臂 PWM 輸 出 訊 號 、 EN1~EN3為下臂PWM輸出訊號，表4.6為腳位功能說明。

圖4.22 數位脈寬調變產生器電路的IP方塊

表4.6 數位脈寬調變產生器腳位功能說明

接腳名稱 輸入/出 資料長度 功能說明

VAREF [11..0]

VBREF [11..0]

VCREF [11..0]

輸入 10位元

三相調變訊號輸入 數值範圍：+500 ~ -500

acnt [2..0] 輸入 3位元 無效時間設定：0~7 Ex：acnt*1/clk = dead time

servo 輸入 1位元 致能訊號 (0：重置，1：不重置)

clk 輸入 1位元 系統時脈

IN1 EN1 IN2 EN2 IN3 EN3

輸出 1位元

三相互補式PWM輸出 載波訊號範圍：+500 ~ -500

Ex：假如調變訊號振幅為280 Duty=280/500=0.56

圖4.23為此電路模擬結果，上圖acnt設為2，因此可看到上下臂的PWM訊號在從低 準位變為高準位時皆延遲了2 usec，因此上下臂開關元件不會同時導通；而下圖為不加 無效時間的模擬情形。

圖4.23 數位脈寬調變產生器模擬波形