基于MATLAB的脉宽调制(PWM-SPWM-SVPWM)

第1章绪论1.1脉宽调制技术的研究背景——电气传动的发展随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及材料技术尤其是永磁材料技术的进步，电气传动系统，包括交、直流电动机调速及伺服系统，正在向系统高性能、控制数字化、一体化机电的方向发展。直流传动系统控制简单、调速特性好，一直是调速传动领域中的重要组成部分。现代的直流传动系统的发展方向是电动机主极永磁化及换向无刷化，而无刷直流电动机正是在这样的趋势下所发展起来的机电一体化电动机系统。一般意义上的无刷直流电动机(BruhlessDCMotor,BLDCM)是指方波无刷直流电动机，其特征是只需简单的开关位置信号即可通过逆变桥驱动永磁电动机工作。1975年无刷直流电动机首次出现在NASA报告中。之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率、全控型功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速的发展。1977年，出现了采用钐钻永磁材料的无刷直流电动机。之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采用高磁能积、高矫顽力、低成本的第三代NdFeB永磁材料，且采用霍尔元件作位置传感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出转矩，使其更加实用。1986年，H.R.Bolton对方波无刷直流电动机系统进行了全面的总结，这标志着方波无刷直流电动机系统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟。近年来，虽然永磁直流电动机也随着永磁材料技术的发展而得到了性能的提高，依然在直流传动系统中被广泛应用，但直流传动系统已经处于无刷直流电动机大规模普及与应用的阶段。现代交流传动系统已经由感应电动机为主发展为多机种，尤其是以永磁同步电动机的发展最为显著。一方面，由感应电动机构成的交流调速系统性能依然不断提高，变压变频(VVVF）技术及矢量控制技术完全成熟。通过模仿直流电动机中转矩控制的思路，采用坐标变换，把交流感应电动机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量，并通过对磁通和转矩的独立控制、使感应电动机获得类似直流电动机的控制特性。近年来又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，从而使交流调速控制有了突破性的发展，并出现了一系列用于交流调速系统的高性价比的通用变频器。另一方面，永磁同步电动机调速及高性能伺服技术发展迅速，应用功率范围不断扩大。永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)，又被称为正弦波无刷直流电动机系统，实际上为带有位置传感器的、由逆变器驱动的永磁同步电动机系统。其反电势波形为正弦波，相应的绕组电流也为正弦波。关于永磁同步电动机的研究主要集中于电动机的新型结构形式、气隙磁场的设计、计算和绕组电流的控制。其中，绕组电流的控制为大部分文献研究的焦点。1982年，G.P.Fatt从理论上指出了两种有效获得正弦绕组电流的方法，即静止坐标系下的电流控制方法，它包括电流调节型SPWM控制方法（CRPWM）和电流滞环控制方法，指出了其应用范围，并加以实验验证。至今，这两种方法在永磁同步电动机系统中得到了最广泛的应用。1987年，P.Pillay对方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机系统进行了全面的对比，在总结正弦波无刷直流电动机各种研究成果的基础上，提出了基于旋转坐标系下的正弦波无刷直流电动机系统绕组电流控制方法：id、iq法。此后的研究虽然在控制手段上不断改进，但控制方法没有本质的突破。一般实现电流控制的手段有模拟方法、模拟数字混合方法、全数字方法等，并在逐步向全数字控制方向发展。感应电动机和永磁同步电动机系统相比较，无论是在效率、功率密度等各方面，永磁同步电动机系统均具有相当优势。因此，交流永磁同步电动机在交流传动系统中的应用范围会继续扩大。综上所述，高性能直流传动系统在向方波无刷直流电动机为主的方向发展，而方波无刷直流电动机在向电流正弦化的方向发展；同时，高性能交流传动系统在向交流永磁同步电动机系统为主的方向发展，而永磁同步电动机系统也在向无位置检测或位置检测简易化的方向发展。由于二者的电动机本体均为永磁同步电动机，且系统结构大致相同，因此交、直流之分越来越模糊，二者的发展方向相同，概念趋向一致。在电动机理论和其他相关技术发展的推动下，“无刷直流电动机”的概念已由最初特指具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具备有刷直流电动机外部特征的由驱动器驱动的永磁同步电动机。无刷直流电动机或永磁同步电动机的发展亦促使电动机理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制理论及高性能材料的紧密结合。如今，无刷直流电动机或永磁同步电动机系统集特种电动机、变流机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代的一体化电动机系统，体现着当今应用科学的最新成果，是机电一体化的高技术产物。1.2脉宽调制技术的发展随着全控型功率电子器件的发展，脉冲调宽（PWM）技术与开关功率电路成为主流技术，在功率应用中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通损耗，提高驱动效率。在PWM技术中，功率器件工作在开关饱和导通状态，通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通与关断的时间，来改变加在负载两端的平均电压的大小。当负载为直流电动机时，也就实现了电动机的调压调速控制，这也就是PWM控制的基本原理。改变脉冲信号的开通、关断时间有两种基本方式。一种方式是将脉冲信号的开关频率及周期Ts固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变负载的平均电压，这就是脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,PWM）。另一种方式是将脉冲信号的导通宽度固定，通过改变开关频率及周期T来改变负载的平均电压，这就是脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation,PFM）。由于PFM控制是通过改变脉冲频率来实现平均电压的调节的，频率变化范围较大。在频率较低时，往往人耳所感觉到的电磁噪声较高；而在频率较高时，会导致功率器件开关损耗的增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。最严重的情况是，在某些特殊频率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生振荡和出现音频啸叫声。而在PWM控制中，由于脉冲频率固定，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有利于消除系统中由于功率器件开关所导致的固定频率的电磁干扰。因此在电气传动领域内PWM控制技术成为应用的主流。在交流电气传动中，脉宽调制技术用于产生单相或三相交流电即实现逆变，控制信号变为幅值和频率均可变化的周期信号。在各种形式的周期控制信号中，正弦波控制信号应用最为普遍，因此一般统称为正弦波脉宽调制（SinusoidalPulseWidthModulation,SPWM）。传统的SPWM技术多采用模拟技术来实现，即脉宽调制信号的获得是通过三角波与所希望的调制函数直接比较而获得。随着高性能的交流伺服驱动系统的全数字控制的发展，要求用数字方法来实现脉宽调制。纵观现有的文献，数字脉宽调制方法多采用规则采样技术，通过三角载波与所希望的调制函数的比较获得数学方程式，PWM信号则是通过对规则采样技术获得的数学方程式的计算获得的。这种数字脉宽调制方法是对模拟自然采样的三角波——正弦波（SPWM）方法的近似：虽然还存在一些SPWM优化算法，诸如谐波型SPWM技术以及准最优SPWM技术等，但算法复杂，计算时间增加，应用较少。而近年来出现的空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，相应的数字计算方法形成的脉宽调制信号与传统的SPWM信号相比，具有更多优点。因此空间矢量脉宽调制技术在交流电动机驱动系统中得到了广泛的应用。第2章PWM控制的原理介绍2.1概述PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。2.2PWM控制技术分类1)正弦PWM（SPWM）；2)特定谐波消除PWM（SHEPWM）；3)最小纹波电流PWM；4)空间矢量PWM（SVM）；5)随机PWM；6)滞环电流控制PWM；7)瞬时电流控制正弦PWM；8)Delta调制PWM；9)Sigma-Delta调制PWM。通常PWM技术可以按电压控制或电流控制来分类，或按前馈方式或反馈方式来分类，也可以按基于载波或不基于载波来分类。本论文主要围绕其中的SPWM，SVPWM，滞环电流控制PWM三种PWM控制方法展开介绍，并进行对比。2.3PWM控制的基本原理及其理论基础在采样控制理论中有一个重要的结：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形的基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2.1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出相应基本相同。当窄脉冲变为图2.1d的单位脉冲函数)(t时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲a）矩形脉冲b）三角形脉冲c）正弦半波脉冲d）单位脉冲函数图2.2a的电路是一个具体的例子。图中)(te为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图2.1的a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加载可以看成惯性环节的LR-电路上，设其电流)(ti为电路的输出。图2.2b给出了不同窄脉冲时)(ti的响应波形。从波形可以看出，在)(ti的上升段，脉冲形状不同时)(ti的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各)(ti波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应)(ti也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各)(ti在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。图1.2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形a）电路b）响应波形下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把图2.3a的正弦半波分成p等分，就可以吧正弦半波看成是由p个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于p，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图2.3b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这样脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。要改变等效输出正弦波的幅值是，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波；由交流电源产生的PWM波通常是不等幅波。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理进行控制的，因此其本质是相同的。图2.3用PWM波形代替正弦半波a）正弦半波b）脉冲序列如图2.4把所希望的波形作为调制信号ru，把接受调制的信号作为载波cu，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形Gu。图2.4脉冲调制电路通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于调制信号波幅度的脉冲。第3章正弦脉冲宽度调制SPWM基本原理3.1概述为了阐述明白SPWM的原理，下面先介绍简单的单相桥式逆变电路。逆变器理想的输出电压是如图3.1b所示的正弦波tUtumsin)(1。将图3.1b正弦波半个周期均分p个相等的时区，图中6p，每个时区的时间62TTs对应的时区宽度为61222sssTfT，第k个时区sT的终点时间为skT，起点时间为sTk1，第k个时区的中心点相位角k为：sskkTkTt21(3.1)图3.1用