第7章 PWM控制技术

1/41第7章PWM控制技术7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法7.3PWM跟踪控制技术7.4PWM整流电路及其控制方法本章小结2/417.1PWM控制的基本原理冲量：指窄脉冲的面积惯性的环节如：R-L电路、R-C电路效果基本相同：是指环节的输出响应波形基本相同,低频段非常接近，仅在高频段略有差异理论基础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——冲量等效原理或面积等效原理3/41可互相代替7.1PWM控制的基本原理理论基础例如：R-L电路不同输入e(t)时输出响应为i(t)i(t)的上升段(含高频分量)略有不同，i(t)的下降段(含低频分量)几乎相同；脉冲e(t)越窄，i(t)的差异越小；4/417.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；宽度按正弦规律变化；SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形；要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可；5/417.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波PWM波形可等效其他波形，只要满足面积等效原理即可。6/417.2PWM逆变电路及其控制方法7.2.1计算法和调制法7.2.2异步调制和同步调制7.2.3规则采样法7.2.4PWM逆变电路的谐波分析7.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数7.2.6空间矢量SVPWM控制7.2.7PWM逆变电路的多重化7/41目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合本节内容构成了本章的主体PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路7.2PWM逆变电路及其控制方法8/417.2.1计算法和调制法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形；繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化；程序复杂，对硬件要求高。9/417.2.1计算法和调制法调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求；调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波；10/417.2.1计算法和调制法单相桥式PWM逆变电路crfNf称为“载波比”urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud11/417.2.1计算法和调制法单极性PWM控制方法在调制信号ur的半周内，三角形载波uc只有正极性或负极性控制逻辑(由调制电路发出相应的触发信号)调制信号ur正半周：当ucur时，u0=0；1、3通、2、4断当ucur时，u0=Ud；1、4通，2、3断调制信号ur正半周：当ucur时，u0=-Ud；1、4断，2、3通当ucur时，u0=0；2、4通、1、3断12/417.2.1计算法和调制法单极性PWM控制下的波形rcUMU称为“调制度”urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud13/417.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方法在调制信号ur的整个周期内，三角形载波uc只有正有负控制逻辑(由调制电路发出相应的触发信号)调制信号ur：当ucur时，u0=Ud；1、4通，2、3断当ucur时，u0=-Ud；1、4断，2、3通14/417.2.1计算法和调制法双极性PWM控制下的波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud15/417.2.1计算法和调制法三相桥式PWM型逆变电路图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud调制法采用双极性控制方式；三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°；公用一个三角形载波信号uc。16/417.2.1计算法和调制法三相桥式PWM型逆变电路图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOwtOOOOOwtwtwtwtwt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud17/417.2.1计算法和调制法计算法举例特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM)设三相桥式PWM逆变电路中的uUN'波形如下：①为消除偶次谐波，要求输出电压关于p处镜对称；()()ututwwp②为消除谐波中的余弦项，要求输出电压在每个半波内关于轴线对称()()ututwpw这样的波形，称为“四分之一”周期对称波形。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a318/417.2.1计算法和调制法特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM)在半个周期内，器件开通、关断各3次，共有6个开关时刻应给予控制(不包括0和p处)；只需计算出a1、a2、a3即可；由于对称性，其他开关时刻均可依a1、a2、a3求出；OwtuoUd-Ud2ppa1a2a319/417.2.1计算法和调制法“四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解1,3,5,()sinnnutantww12132324200200242()sin()sin()sin()224sin(4()sin()=()sin())sin()222122TndddddautntdtTUUntdtntdtUUntdtntdutntdtudUtntnttapaapaapa123cos2cos2cosnnnaaa20/417.2.1计算法和调制法“四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解112351233123972313122(12cos2cos2cos)2(12cos522(12cos32cos32cos3)2(12ccos52cos5)052(12cos72cos72cos7)os920cos92cs9)97odddddUUUUUaaaapaaaapaaaapaaaapaaaap某一需要的值选3个方程，联立求解，即可求出a1、a2、a3；21/417.2.1计算法和调制法推论①对于“四分之一”周期对称的PWM波，如果在输出电压半周期内器件通、断各k次，则有k个开关时刻是独立的，其余开关时间均可以推导计算出来；②除用一个自由度控制基波幅值外(如以上的a1)，可消去k-1个频率的特定谐波(如以上的a5、a7等)；OwtuoUd-Ud2ppa1a2a322/417.2.2异步调制和同步调制1、异步调制载波比N：载波频率fc与调制信号频率fr之比反映了一个调制波周期中包含的载波信号周期的个数；crfNf改变调制信号频率fr时，不改变载波信号频率fc，则载波比N将发生变化，使得调制信号和载波信号的频率变化不保持同步，这种调制方式称为“异步调制”；23/417.2.2异步调制和同步调制1、异步调制特点：①fr越低，一个调制周期中所含载波周期数越多；脉冲越多；②一个调制周期中输出脉冲数量不固定，相位也不固定；③输出电压的正负半周中输出脉冲不对称；④输出电压的半周期中，前后1/4周期的脉冲也不对称；影响：①当fr较低时，造成载波比N较大，半周内脉冲数较多，则特点③④产生的影响小，输出波形接近正弦波；②当fr较高时，造成载波比N较小，半周内脉冲数较少，则特点③④产生的影响大，输出波形变坏，谐波含量增大，输出波形的对称性也变差；24/417.2.2异步调制和同步调制2、同步调制变频时，载波频率fc与调制信号频率fr同时改变，且载波比N保持不变，使调制信号和载波信号的频率变化保持同步，这种调制方式称为“同步调制”；例如，三相PWM逆变电路中25/417.2.2异步调制和同步调制2、同步调制特点：①调频时，调制周期中输出脉冲数量固定，相位也固定；②在三相电路中，载波比N为3的倍数时，三相输出波形对称；③载波比N为奇数时，每相输出波形的正负半周为镜对称，可消去偶次谐波；例如，三相PWM逆变电路中26/417.2.2异步调制和同步调制2、同步调制缺点：①为保持同步，当所需的输出频率较低时，则相应的载波频率低，在相同时间段中的脉冲数较少，输出波形中的谐波频率低，不易滤波，使电机产生较大的转矩脉冲和噪声；②当所需的输出频率较高时，又会造成载波频率过高，在相同的时间段中的脉冲数较多，而受到开关器件的开关频率的限制；例如，三相PWM逆变电路中27/417.2.2异步调制和同步调制2、同步调制改进措施①在输出频率的范围内，采用“分段”的同步调制方法；即把fr范围划分成若干个频段，每个频段内部采用同步调制，而不同频段采用不同的载波比；②在fr高频段，采用低载波比，不致使fc过高，而将fc限制在开关器件所允许的范围内；③在fr低频段，采用高载波比，不致使输出脉冲数过少，而将输出信号中的谐波限制在所允许的范围内；④每个频段中的载波比N一般取3的倍数且为奇数，以便形成四分之一周期对称的输出波形；28/417.2.2异步调制和同步调制3、分段同步调制此频率段的选择，受功率开关器件所允许的最高频率限制；采用单片机控制时，还受单片机计算速度的限制；一般大约在1.4~2.0kHz之间；在实际使用中，为防止切换频率点处的频率来回突变，常采用“滞后切换”方法。29/417.2.3规则采样法SPWM波形的生成方法：①模拟电路：用比较器对正弦调制波和三角形载波进行比较，以交点确定脉冲的宽度和间隔；②微机控制：编辑程序，计算出脉冲的宽度和间隔，有：实时计算法、查表法；③专用集成芯片：其中已有固化的程序，可直接输出脉冲宽度和脉冲间隔可调的PWM信号，一般与主控元件配套使用。前面所述：利用正弦波和三角波的自然交点时刻来控制开关器件的通断的控制方法，成为“自然采样法”；但确定脉宽的方程为超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。30/417.2.3规则采样法规则采样法的计算公式——以单相为例设正弦调制信号波为sinrruatw调制度M为正弦调制波峰值Ur与三角形载波峰值Uc的比值，在此：rcUMaUucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法31/417.2.3规则采样法规则采样法的计算公式——以单相为例依据相似三角形Dc1sin2/2/2ratTwdD(1sin)2crTatdwcD1'(1sin)24crTTatddw改变调制度a值，即可改变输出电压u0的幅值；改变调制信号频率wr，即可改变输出电压u0的频率。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法32/417.2.3规则采样法规则采样法的计算公式——以单相为例实际计算时，令D2,1,2,3,...,1rtkknnpw若载波比为3的整数倍且为奇数时，只需计算前四分之一周期的数据。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图6-12规则采样法33/417.2.3规则采样法三相SPWM波形的生成的规则采样法DDD(1sin)21sin(120)21sin(120)2cUrcVrcWrTatTatTatdwdwdw32cUVWTddd34cUVWTddd图6-10ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud2Ud34/417.