混沌随机TPWM用于低载波频率逆变器

由于逆变器开关器件频繁的开关动作，也会产生谐波，其频率主要集中在一倍和两倍载波频率附近，在低频段产生明显的噪声和振动。本方案提出一种混沌控制的方法，可以解决这个问题。

1.引言

在PWM载波中引入随机变量将使谐波能量扩展到一个比较宽的频带上，因而避免了谐波能量集中于某一频率或频带范围内，使SPWM中的高次谐波和低次谐波均得到有效抑制。这样，即使采用较低的开关频率，随机PWM也能产生高质量的输出电压和电流波形，这种逆变器称为TPWM逆变器。

本方案基于logistic-map混沌序列提出了一种随机TPWM方案，分析了混沌序列的统计特性及RPWM的数字计算方法。研究了低于10kHz载波频率情况下的梯形PWM波的特性和变频器性能。分析测量了输出波形的谐波特性，并与传统PWM波做了比较研究。提出的混沌PWM（CTPWM）方法用M37705 MCU实现，结果表明，CTPWM方案是有效的。

图6-13 输出波形

a）突加负载输出电压波形 b）突卸负载输出电压波形

2.混沌随机PWM波形的产生

混沌系统的类随机特性对扩展序列频谱具有重要作用，利用混沌系统对初始条件和参数的敏感性，可以得到一个类随机的却又是确定性的信号，并已证明对其进行数字量化并不破坏其良好的随机特性。该方案中采用Logistic-Map系统产生TP-WM随机开关频率，可从1～11kHz内变化。

混沌波形具有伪随机特性，因此我们可采用统计方法研究其特性。推导证明，其特性可使混沌序列具有与零均值白噪声相似的统计特性，因而Logistic-Map混沌序列完全能用于噪声调制，该方案采用Logistic-Map混沌序列产生随机梯形TPWM波形，如图6-15所示。

图6-14 CTPWM变频洗衣机控制系统框图

3.混沌随机开关控制TPWM逆变器在洗衣机中的应用(www.xing528.com)

基于CTPWM方案研制开发的三相电压源用于洗衣机变频器如图6-14所示。变频器控制系统包括控制电源、M37705单片机系统、通信接口、布量检测电路、IGBT功率模块及保护、驱动电路等。混沌随机CTPWM波形由M37705单片机内部软件生成。该CPU控制器除了实现洗衣机变频控制外，还用于洗衣机布量的模糊检测、速度闭环控制、电压电流监测等。

4.试验结果

本方案介绍的混沌随机CTPWM采用M37705单片机实现，试验波形采用TDS2200示波器测量，CTPWM波形、输出电压的功率谱密度函数的测量结果分别如图6-15、图6-16所示。

图6-15 混沌TPWM波形

图6-16 CTPWM控制输出电压谐波功率谱

结果表明，在输出电压谐波功率谱分布方面，CTPWM方法优于如图6-17所示传统PWM控制。所得的随机信号加入到PWM波形后，可使变频器输出谐波功率谱扩展，因而使各次谐波幅值下降，特别是低频区谐波幅值明显下降，同时总波形畸变率（THD）（见第1章）也有所改善。例如工作频率为30Hz、40Hz时，传统PWM逆变器的THD为8.9％、9.2％，而CTP-WM逆变器为7.2％、8.7％。

图6-17 传统SPWM控制输出电压谐波功率谱

与传统的PWM控制方法相比，在较低的载波频率下，洗衣机变频传动系统的噪声明显降低，机械振动减弱，因而提高了性能，降低了成本（因为可采用低开关频率IGBT），证明了方案的可靠性和实用性，具有广阔的推广前景。