第7讲 PWM控制技术

第七讲脉宽调制（PWM）技术1电力电子基础FundamentalPowerElectronics第七讲脉宽调制(PWM)技术第七讲脉宽调制（PWM）技术2脉宽调制(PWM)技术引言PWM控制的基本原理PWM逆变电路及其控制方法PWM跟踪控制技术PWM整流电路及其控制方法矩阵式变换器小结第七讲脉宽调制（PWM）技术31.引言脉宽调制技术(PWM-PulseWidthModulation)：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的变流电路主要有：PWM逆变电路、直流斩波电路、PWM整流电路、斩控式调压电路、以及矩阵式变频电路。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得PWM控制变得容易实现。PWM技术的应用使电力电子装置的性能大大提高，在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM技术在逆变电路中应用最广。本讲主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术第七讲脉宽调制（PWM）技术42.PWM控制的基本原理PWM理论基础—面积等效原理面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有低通滤波特性的环节上时，该环节的输出响应波形基本相同该环节的输出响应在低频段非常接近，仅在高频段略有差异形状不同而冲量相同的各种窄脉冲e(t)=f(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)第七讲脉宽调制（PWM）技术5PWM控制的基本原理例1：SPWM调制机理用一系列等幅不等宽的脉冲来等效取代正弦波这些等幅不等宽脉冲与对应的同一采样周期内对应的正弦波面积相等这些等幅不等宽脉冲的宽度按正弦规律变化。若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。因而称为正弦脉宽调制OuωtSPWM波OuωtOuωt将正弦半波采样切割成为一系列不等幅等宽窄脉冲将不等幅等宽窄脉冲系列转化为等幅不等宽窄脉冲系列第七讲脉宽调制（PWM）技术6PWM控制的基本原理单极性SPWM双极性SPWMOwtUd-UdOwtUd-Ud用不同的等幅调宽脉冲波形等效逼近正弦波可获得不同的SPWM第七讲脉宽调制（PWM）技术7PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波一端为直流电源采用等幅PWM，如直流斩波电路及PWM逆变、整流电路输入电源是交流时采用不等幅PWM，如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路基于面积等效原理进行控制，本质相同PWM电压、电流波电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波；但电压型逆变电路进行PWM控制最为普遍PWM波形可用于等效的各种波形直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理仍基于等效面积原理Uoωt等幅调制不等幅调制直流交流交流第七讲脉宽调制（PWM）技术8PWM控制的基本原理PWM（PulseWidthModulation）脉冲宽度调制技术：基于面积等效原理，通过对构造脉冲系列并对其宽度进行调制，来等效地合成所需要的可变幅、可变频波形所需合成的信号称为调制信号。调制信号根据需要可以为正弦、直流、非正弦等各种信号，可比喻为“乘客”，用于传递调制信号的高频信号称为载波，可比喻为“运载工具”；如何搭配载波与调制波称为调制方法。载波的频率要求远高于调制信号的频率。调制信号（正弦、直流等）载波信号（三角、锯齿波等）PWM调制低通滤波恢复调制信号对PWM波形进行傅立叶分析可揭示PWM调制的科学机理第七讲脉宽调制（PWM）技术93.PWM逆变电路及其控制方法计算法和调制法异步调制和同步调制规则采样法PWM逆变电路得谐波分析提高直流电压利用和减少开关次数PWM逆变电路的多重化第七讲脉宽调制（PWM）技术10计算法和调制法数字计算调制法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。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要相应变化模拟电路调制法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波第七讲脉宽调制（PWM）技术11计算法和调制法例1：单相桥式PWM电压型逆变电路工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负——负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud;V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0；负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud;V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平uo负半周，V2通，V1断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc第七讲脉宽调制（PWM）技术12计算法和调制法单相桥式PWM电压型逆变电路单极性PWM在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周，V1保持通，V2保持断当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud当uruc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量图6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud第七讲脉宽调制（PWM）技术13计算法和调制法单相桥式PWM电压型逆变电路双极性PWM在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平。仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud图6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud第七讲脉宽调制（PWM）技术14计算法和调制法例2：双极性PWM控制方式（三相桥逆变）三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud第七讲脉宽调制（PWM）技术15计算法和调制法U相的控制规律当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成图6-8ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOwtOOOOOwtwtwtwtwt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud第七讲脉宽调制（PWM）技术16计算法和调制法防直通死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波第七讲脉宽调制（PWM）技术17异步调制和同步调制异步调制与同步调制载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制异步调制异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大第七讲脉宽调制（PWM）技术18异步调制和同步调制同步调制同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受第七讲脉宽调制（PWM）技术19异步调制和同步调制分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz第七讲脉宽调制（PWM）技术20规则采样法1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d规则采样法2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。正弦调制信号波式中称为调制系数，0≤1；wr为信号波角频率。脉冲宽度为taursinrw)sin1(2DrctaTwd第七讲脉宽调制（PWM）技术21规则采样法三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d´U、d´V和d´W，同一时刻三相调制波电压之和为零，可得23cWVUTddd43'''cWVUTddd利用以上两式可简化三相SPWM波的计算第七讲脉宽调制（PWM）技术22PWM逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析以双极性SPWM波形为准。同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。第七讲脉宽调制（PWM）技术23PWM逆变电路的谐波分析c+kr)角频率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0不同时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。1）单相的分析结果谐波角频率为:crnkww式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。单相PWM桥式逆