CN110365241B - 一种高精准正弦波信号发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精准正弦波信号发生方法，包括以下步骤：S1：构建由n个H桥变换器级联的正弦波信号拟合电路；S2：选择H桥变换器直流侧电压Vdc，并根据待拟合的正弦波信号电压基波分量V1m确定调制比m；S3：根据m和n的关系确定各个H桥变换器的开关角的初始值；S4：根据各个H桥变换器的开关角的初始值确定各个H桥变换器中开关管的控制角度。其效果是：利用该方法对开关角的初值进行设定，迭代收敛效果好，速度快，而且可以适应更广的设计范围，避免在部分m和n的取值情况下，初值求取无解的问题，同时可以产生能够消除特定谐波的高精准正弦波信号，提升信号质量。

Description

一种高精准正弦波信号发生方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术，具体涉及一种高精度正弦波信号发生方法。
背景技术
在仪器仪表测试领域常常涉及到高精准正弦波信号源，如图1所示，现有技术中通常采用多个H桥级联，用阶梯波来拟合正弦波，通过选择特定的开关时刻，来产生对应等级的阶梯波形，从而实现正弦波信号的输出。
但其存在的技术缺陷是：
对各个H桥开关角的初始值设定不够准确，导致产生的信号波形中谐波较多，影响信号质量。
发明内容
基于上述缺陷，本发明提出一种高精准正弦波信号发生方法，该方法对级联的H桥中各个开关的初始值进行约束，使其设计过程更加规范，产生的信号能够实现谐波的消除，提升信号质量。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种高精准正弦波信号发生方法，其关键在于包括一下步骤：
S1：构建由n个H桥变换器级联的正弦波信号拟合电路；
S2：选择H桥变换器直流侧电压Vdc，并根据待拟合的正弦波信号电压基波分量V1m确定调制比m；
S3：根据m和n的关系确定各个H桥变换器的开关角的初始值；
S4：根据各个H桥变换器的开关角的初始值逐步迭代确定各个H桥变换器中开关管的控制角度。
可选地，步骤S3中，取正弦波信号电压基波分量V1m＝1，判断条件
Figure BDA0002162384790000011
是否成立，如是不成立，则按照：
Figure BDA0002162384790000021
计算各个H桥变换器的开关角的初始值；
如果成立，则按照：
Figure BDA0002162384790000022
计算各个H桥变换器的开关角的初始值，其中，i为3≤i≤n-3之间的奇数。
可选地，在确定各个开关角的初始值后，利用基于最小二乘的fsolve函数求解各个H桥变换器中开关管的控制角度。
可选地，H桥变换器级联的个数n为大于等于3的奇数。
本发明的有益效果：
利用该方法对开关角的初值进行设定，迭代收敛效果好，速度快，而且可以适应更广的设计范围，避免在部分m和n的取值情况下，初值求取无解的问题，同时可以产生能够消除特定谐波的高精准正弦波信号，提升信号质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例的电路拓扑结构图；
图2为本发明的基于H桥变换器级联叠加消谐得出的阶梯形电压波形；
图3为调制比不同情况下各个开关角初值的取值情况；
图4为图3左极限放大情况的示意图；
图5为具体实施例中不同数量H桥变换器级联的信号THD对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本实施例提供一种高精准正弦波信号发生方法，包括一下步骤：
S1：构建由n个H桥变换器级联的正弦波信号拟合电路；n为大于等于3的奇数，电路连接关系如图1所示；
S2：选择H桥变换器直流侧电压Vdc，并根据待拟合的正弦波信号电压基波分量V1m确定调制比m；
S3：根据m和n的关系确定各个H桥变换器的开关角的初始值；
具体实施时，取正弦波信号电压基波分量V1m＝1，判断条件
Figure BDA0002162384790000031
是否成立，如是不成立，则按照：
Figure BDA0002162384790000032
计算各个H桥变换器的开关角的初始值；
如果成立，则按照：
Figure BDA0002162384790000041
计算各个H桥变换器的开关角的初始值，其中，i为3≤i≤n-3之间的奇数
S4：根据各个H桥变换器的开关角的初始值逐步迭代确定各个H桥变换器中开关管的控制角度。
具体实施时，在确定各个开关角的初始值后，利用基于最小二乘的fsolve函数求解各个H桥变换器中开关管的控制角度。
通过上述方法，可以得出如图2所示的叠加消谐后的阶梯形电压波形，从而拟合出需要的正弦波信号。
本发明的主要思路就是通过初值设定使阶梯波尽可能拟合正弦波，根据设计的调节，可以预先确定n和m，在n和m为已知的情况下，把阶梯波的转折上边沿点和正弦曲线拟合，根据在正弦曲线上的阶梯拐点的纵坐标运用反三角函数确定初始的开关角，这种设计方法确定的开关角初始值相对精准；但是针对不能取反三角的m范围，则难以适用。本发明通过经验数据，对其按照很小的增量依次分配一个初始值，然后通过逐步迭代的形式得到最终的开关角。最后在具体迭代解方程时，采用matlab中fsolve函数迭代求解。
为了进一步理解本发明的效果，通过图3和图4可以看出，在n＝3的最简单的级联***中，要使得各个开关角有解，其m的取值范围应该为0.35≤m≤1.07。如果因为直流侧电压Vdc和正弦波信号电压基波分量V1m的影响导致调制比公式m＝V1m/(nVdc)不属于上述范围，则通过直接求解的方式将难以得到各个开关角精准的初始值。通过本发明设计，无论在m值处于何种情况，都能规范化的确定各个开关角的初始值，对电路的设计带来便捷，而且其产生的信号谐波消除效果也更好。
本实施例中还分析了不同级联个数的情况下，不同m值时其信号的THD值，如表1和图5所示，可以看出，可知随着n增大，THD会逐渐降低，可见在模块增加时输出电压的波形质量越高，消谐效果越好。对于相同的n，THD随着m变化而变化，但是按本方法设计，其THD只在很小的范围内波动。
表1 n＝3,n＝5,n＝15时不同m值对应THD结果
Figure BDA0002162384790000051
通过上述说明可以理解，本发明提供的一种高精准正弦波信号发生方法，主要根据m和n的关系来确定用什么方式计算各个H桥变换器的开关角的初始值，使其在不同的应用场景下，都能实现开关角的初始值的精准确定，达到叠加消除谐波的功能，使其发出的正弦波信号更加精准。
此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (3)

1.一种高精准正弦波信号发生方法，其特征在于包括一下步骤：
S1：构建由n个H桥变换器级联的正弦波信号拟合电路；
S2：选择H桥变换器直流侧电压Vdc，并根据待拟合的正弦波信号电压基波分量V1m确定调制比m；
S3：根据m和n的关系确定各个H桥变换器的开关角的初始值；
S4：根据各个H桥变换器的开关角的初始值逐步迭代确定各个H桥变换器中开关管的控制角度；
步骤S3中，取正弦波信号电压基波分量V1m＝1，判断条件
Figure FDA0002417337300000011
是否成立，如是不成立，则按照：
Figure FDA0002417337300000012
k＝1～n，计算各个H桥变换器的开关角的初始值；
如果成立，则按照：
Figure FDA0002417337300000013
计算各个H桥变换器的开关角的初始值，其中，i为3≤i≤n-3之间的奇数。
2.根据权利要求1所述的高精准正弦波信号发生方法，其特征在于：在确定各个开关角的初始值后，利用基于最小二乘的fsolve函数求解各个H桥变换器中开关管的控制角度。
3.根据权利要求1所述的高精准正弦波信号发生方法，其特征在于：H桥变换器级联的个数n为大于等于3的奇数。
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