第七章PWM控制技術kjj

1、第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-11第第7 7章章 PWMPWM控制技術控制技術 7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 7.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 7.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 7.4* PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-11引言引言PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬控制就是對脈沖的寬度進行調制

2、的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。第第5章的直流斬波電路實際上采用的就是章的直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，第技術，第6章中涉及到章中涉及到PWM控制技術的地方有兩處，一處是第控制技術的地方有兩處，一處是第6.1節(jié)節(jié)中的斬控式交流調壓電路，另一處是第中的斬控式交流調壓電路，另一處是第6.4節(jié)矩陣式變頻節(jié)矩陣式變頻電路。電路。 PWM控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電控制技術在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應

3、用的逆變電路中，絕大路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應用的逆變電路中，絕大部分都是部分都是PWM型逆變電路型逆變電路。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理面積等效原理面積等效原理 是是PWM控制技術的重要理論基礎控制技術的重要理論基礎。 原理內容：原理內容：沖量相等沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同效果基本相同。 沖量即指窄脈沖的面積。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指

4、環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。頻段略有差異。 實例實例 將圖將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的所示的R-L電路電路上，上，設其電流設其電流i(t)為電路的輸出，圖為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時給出了不同窄脈沖時i(t)的響應波形。的響應波形。 圖圖7-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖圖7-2 沖量相同的各種窄脈沖的

5、響應波形沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 將正弦半波看成是由將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度個彼此相連的脈沖寬度為為 /N，但幅值頂部是，但幅值頂部是曲線曲線且大小按且大小按正弦規(guī)律變化正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。的脈沖序列組成的。 把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波的矩形脈沖

6、代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是分面積（沖量）相等，這就是PWM波形波形。 對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到到PWM波形。波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。 PWM波形可分為波形可分為等幅等幅PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波兩種，由直流電源產生的兩種，由直流電源產生的PWM波通常是等幅波通常是等幅

7、PWM波。波?；诘刃娣e原理，基于等效面積原理，PWM波形還可以等效成其波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。等。 圖圖7-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 7.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法 7.2.2 7.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制 7.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法

8、 7.2.4 PWM7.2.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 7.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率提高直流電壓利用率 和減少開關次數(shù)和減少開關次數(shù) 7.2.6 7.2.6 空間矢量空間矢量SVPWMSVPWM控制控制 7.2.7 PWM7.2.7 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法計算法計算法 根據(jù)逆變電路的根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率正弦波輸出頻率、幅值幅值和半個周期內和半個周

9、期內的的脈沖數(shù)脈沖數(shù)，將，將PWM波形中各脈沖的波形中各脈沖的寬度寬度和和間隔間隔準確計算準確計算出來，按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，出來，按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計算法。波形，這種方法稱之為計算法。 計算法是很繁瑣的，當需要輸出的正弦波的頻率、幅計算法是很繁瑣的，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。值或相位變化時，結果都要變化。 調制法調制法 把希望輸出的波形作為把希望輸出的波形作為調制信號調制信號，把接受調制的信號，把接受調制的信號作為作為載波載波，通過信號波的調制得到所期

10、望的，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。波形。 通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或鋸齒波鋸齒波作為載波，其中等腰三作為載波，其中等腰三角波應用最多。角波應用最多。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 單相橋式單相橋式PWM逆變電路（調制法）逆變電路（調制法） 電路工作過程電路工作過程 工作時工作時V1和和V2通斷互補通斷互補，V3和和V4通斷也互補通斷也互補，比如在比如在uo

11、正半周，正半周，V1導通，導通，V2關斷，關斷，V3和和V4交替通斷。交替通斷。 負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。 在負載電流為正的區(qū)間，在負載電流為正的區(qū)間，V1和和V4導通時，導通時，uo=Ud。 V4關斷時，負載電流通過關斷時，負載電流通過V1和和VD3續(xù)流，續(xù)流，uo=0。 在負載電流為負的區(qū)間，仍為在負載電流為負的區(qū)間，仍為V1和和V4導通時，導通時，因因io為負，故為負，故io實際上從實際上從VD1和和VD4流過，仍有流過，仍有uo=Ud。 V4關斷，關斷，V3開通后，開通后，i

12、o從從V3和和VD1續(xù)流，續(xù)流，uo=0。 uo總可以得到總可以得到Ud和零兩種電平。和零兩種電平。 在在uo的負半周，讓的負半周，讓V2保持通態(tài)，保持通態(tài)，V1保持斷態(tài)，保持斷態(tài)，V3和和V4交替通斷，負載電壓交替通斷，負載電壓uo可以得到可以得到-Ud和和零零兩種兩種電平。電平。 阻感負載阻感負載返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 圖圖7

13、-5 單極性單極性PWM控制方式波形控制方式波形 單極性單極性PWM控制方式控制方式 調制信號調制信號ur為正弦波，載波為正弦波，載波uc在在ur的的正半周為正半周為正極性正極性的三角波，在的三角波，在ur的負半周的負半周為為負極性負極性的三角波。的三角波。 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通態(tài)，保持通態(tài)，V2保持保持斷態(tài)。斷態(tài)。 當當uruc時使時使V4導通，導通，V3關斷，關斷， uo=Ud。 當當uruc時使時使V4關斷，關斷，V3導通，導通， uo=0。 在在ur的負半周，的負半周，V1保持斷態(tài)，保持斷態(tài)，V2保持保持通態(tài)。通態(tài)。 當當uruc時使時使V3關斷，關斷，V4導通，導通

14、， uo=0。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 圖圖7-6 雙極性雙極性PWM控制方式波形控制方式波形 雙極性雙極性PWM控制方式控制方式 在調制信號在調制信號ur和載波信號和載波信號uc的交點的交點時刻控制各開關器件的通斷。時刻控制各開關器件的通斷。 在在ur的半個周期內，三角波載波有的半個周期內，三角波載波有正有負，所得的正有負，所得

15、的PWM波也是有正有負，波也是有正有負，在在ur的一個周期內，輸出的的一個周期內，輸出的PWM波只波只有有Ud兩種電平。兩種電平。 在在ur的正負半周，對各開關器件的的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。控制規(guī)律相同。 當當uruc時，時，V1和和V4導通，導通，V2和和V3關斷，這時如關斷，這時如io0，則，則V1和和V4通，如通，如io0，則，則VD1和和VD4通，不管哪種情況都通，不管哪種情況都是是uo=Ud。 當當uruc時，時，V2和和V3導通，導通，V1和和V4關斷，這時如關斷，這時如io0，則，則VD2和和VD3通，不管哪種情況都通，不管哪種情況都是是uo=-Ud。 返 回上

16、頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 三相橋式三相橋式PWM逆變電路（調制逆變電路（調制法）法） 采用雙極性控制方式。采用雙極性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通控制通常公用一個三角波載波常公用一個三角波載波uc，三相的，三相的調制信號調制信號urU、urV和和urW依次相差依次相差120。 返 回上 頁下 頁第第 七七

17、章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法電路工作過程（電路工作過程（U相為例）相為例） 當當urUuc時，上橋臂時，上橋臂V1導通，下橋臂導通，下橋臂V4關斷，則關斷，則U相相對于直流電源假想中點相相對于直流電源假想中點N的的輸出電壓輸出電壓uUN=Ud/2。 當當urUuc時，時，V4導通，導通，V1關斷，則關斷，則uUN=-Ud/2。 V1和和V4的驅動信號始終是互補的。的驅動信號始終是互補的。 當給當給V1(V4)加導通信號時，可能是加導通信號時，可能是V1(V4)

18、導通，也可能是二極管導通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導通，續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。這要由阻感負載中電流的方向來決定。 uUN、uVN和和uWN的的PWM波形都只有波形都只有Ud/2兩種電平。兩種電平。 圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖

19、7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 輸出線電壓輸出線電壓PWM波由波由Ud和和0三種電平構成。三種電平構成。 當臂當臂1和和6導通時，導通時，uUV=Ud。 當臂當臂3和和4導通時，導通時，uUV=Ud。 當臂當臂1和和3或臂或臂4和和6導通時，導通時，uUV=0。 負載相電壓負載相電壓uUN可由下式求得可由下式求得 3WNVNUNUNUNuuuuu負載相電壓的負載相電壓的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5種電平組成。種電平組成。 為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關斷

20、信號的臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間死區(qū)時間。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖圖7-9 特定諧波消去法的輸出特定諧波消去法的輸出PWM波形波形 特定諧波消去法特定諧波消去法 是是計算法計算法中一種較有代表性的方法。中一種較有代表性的方法。 如果在輸出電壓半個周期內開關器件開通和關斷各如果在輸出電壓半個周期內開關器件開通和關斷各k次，考慮到次，考慮到PWM波波四分之一周期對稱，共有四分之一周期對稱，共有k個開關

21、時刻可以控制，除去用一個自由度來控制基個開關時刻可以控制，除去用一個自由度來控制基波幅值外，可以波幅值外，可以消去消去k1個頻率的特定諧波個頻率的特定諧波。 以三相橋式以三相橋式PWM型逆變電路中的型逆變電路中的uUN波形為例波形為例 在輸出電壓的半個周期內，器件開通和關斷各在輸出電壓的半個周期內，器件開通和關斷各3次（不包括次（不包括0和和時刻），時刻），共有共有6個開關時刻可以控制。個開關時刻可以控制。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和

22、調制法為了消除偶次諧波，應使波形正負兩半周期鏡對稱，即為了消除偶次諧波，應使波形正負兩半周期鏡對稱，即 )()(wwtutu為了消除諧波中的余弦項，簡化計算過程，應使波形在正半周期內前后為了消除諧波中的余弦項，簡化計算過程，應使波形在正半周期內前后1/4周期以周期以 /2為軸線對稱，即為軸線對稱，即 )()(tutuww同時滿足式同時滿足式(7-1)和式和式(7-2)的波形稱為的波形稱為四分之一周期對稱波形四分之一周期對稱波形，這種波形可，這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為用傅里葉級數(shù)表示為,5,3, 1sin)(nntnatuww式中，式中，an為為20dsin)(4wwwttntuan(7-1)

23、(7-2)(7-3)返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法圖圖7-9 特定諧波消去法的輸出特定諧波消去法的輸出PWM波形波形 因為圖因為圖7-9的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個周期內的的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個周期內的12個開關時個開關時刻（不包括刻（不包括0和和 時刻）中，能夠獨立控制的只有時刻）中，能夠獨立控制的只有 1、 2和和 3共共3個時刻，該波個時刻，該波形的形的an為為 )cos2cos2cos21 (2d)

24、sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211wwwwwwwwnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn(7-4)返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.1 7.2.1 計算法和調制法計算法和調制法在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因次諧波相互抵消，因此通?？梢钥紤]消去此通?？梢钥紤]消去5次和次和7次諧波次諧波，根據(jù)需要確定基波分量，根據(jù)需要確定基波分量a1的值，的值，再令再令a5和和a7等

25、于等于0，就可以建立三個方程，聯(lián)立可求得，就可以建立三個方程，聯(lián)立可求得 1、 2和和 3。 0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa 這樣可以消去這樣可以消去兩種特定頻率的諧波兩種特定頻率的諧波，對于給定的基波幅值，對于給定的基波幅值a1，求解，求解上述方程可得一組上述方程可得一組 1、 2和和 3，基波幅值，基波幅值a1改變時，改變時， 1、 2和和 3也相應也相應地改變。地改變。 (7-5)返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建

26、建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-11載波頻率載波頻率fc與調制信號頻率與調制信號頻率fr之比之比N= fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波和信稱為載波比，根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式可分為調制方式可分為異步調制異步調制和和同步調制同步調制兩種。兩種。 異步調制異步調制 載波信號和調制信號不保持同步的調制方式稱為異步調制。載波信號和調制信號不保持同步的調制方式稱為異步調制。 通常保持載波頻率通常保持載波頻率fc固定不變固定不變，因而當信號波頻率，因而當信號波頻率fr變化變化時，載波時，載波比比N是變化的是變化的

27、。 在信號波的半個周期內，在信號波的半個周期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。周期的脈沖也不對稱。 當當fr較低較低時，時，N較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小，利影響都較小，PWM波形接近正弦波。波形接近正弦波。 當當fr增高增高時，時，N減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱脈沖不對稱的影響就變大，輸出的影響就變大，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對于

28、三相波和正弦波的差異變大，對于三相PWM型型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。 在采用異步調制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號在采用異步調制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。波頻率較高時仍能保持較大的載波比。 7.2.2 7.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.2 7.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制ucurUurVurWuuUNuV

29、NOttttOOOuWN2Ud2Ud圖圖7-10 同步調制三相同步調制三相PWM波形波形 同步調制同步調制 載波比載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同載波和信號波保持同步的方式稱為同步調制。步調制。 fr變化變化時載波比時載波比N不變不變，信號波一，信號波一個周期內輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈個周期內輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。沖相位也是固定的。 在三相在三相PWM逆變電路中，通常公逆變電路中，通常公用一個三角波載波，為了使三相輸出用一個三角波載波，為了使三相輸出波形嚴格對稱和一相的波形嚴格對稱和一相的PWM波正負半波正負半周鏡對稱，取

30、周鏡對稱，取N為為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)的整數(shù)倍且為奇數(shù)。 當逆變電路輸出頻率很低時，同步當逆變電路輸出頻率很低時，同步調制時的調制時的fc也很低，也很低，fc過低時由調制帶過低時由調制帶來的諧波不易濾除，當負載為電動機來的諧波不易濾除，當負載為電動機時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲；時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲；當逆變電路輸出頻率很高時，同步調當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的制時的fc會過高，使開關器件難以承受。會過高，使開關器件難以承受。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.

31、2 7.2.2 異步調制和同步調制異步調制和同步調制圖圖7-11 分段同步調制方式舉例分段同步調制方式舉例 分段同步調制分段同步調制 把把fr范圍劃分成若干個頻段，每個范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內都保持載波比頻段內都保持載波比N為恒定，不同頻為恒定，不同頻段的載波比不同。段的載波比不同。 在在fr高高的頻段采用的頻段采用較低的載波比較低的載波比，以使以使fc不致過高，限制在功率開關器件不致過高，限制在功率開關器件允許的范圍內。允許的范圍內。 在在fr低的頻段采用低的頻段采用較高的載波比較高的載波比，以使以使fc不致過低而對負載產生不利影響。不致過低而對負載產生不利影響。 為了防止為了防止f

32、c在切換點附近的來回跳在切換點附近的來回跳動，在各頻率切換點采用了動，在各頻率切換點采用了滯后切換滯后切換的的方法。方法。 有的裝置在低頻輸出時采用異步調有的裝置在低頻輸出時采用異步調制方式，而在高頻輸出時切換到同步調制方式，而在高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點結合起制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式的效果接近。來，和分段同步方式的效果接近。 實線表示實線表示輸出頻率輸出頻率增高時的增高時的切換頻率切換頻率虛線表示虛線表示輸出頻率輸出頻率降低時的降低時的切換頻率切換頻率 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的

33、的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d圖圖7-12 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷，這種生成率開關器件的通斷，這種生成SPWM波形的波形的方法稱為自然采樣法。方法稱為自然采樣法。 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 是一種應用較廣的是一種應用較廣的工程實用方法工程實用方法，其效，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。法小得多。 方法說明方法說明 取三角波兩個

34、正峰值之間為一個采樣取三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期周期Tc，使每個脈沖的中點都以相應的三角，使每個脈沖的中點都以相應的三角波中點（即負峰點）為對稱。波中點（即負峰點）為對稱。 在三角波的負峰時刻在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波對正弦信號波采樣而得到采樣而得到D點，過點，過D點作一水平直線和三點作一水平直線和三角波分別交于角波分別交于A點和點和B點，在點，在A點時刻點時刻tA和和B點時刻點時刻tB控制功率開關器件的通斷?？刂乒β书_關器件的通斷。 可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度脈沖寬度d d和用自然采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非

35、常接近。非常接近。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d圖圖7-12 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 d d和和d d的確定的確定 設正弦調制信號波為設正弦調制信號波為 taurrwsin 式中，式中，a稱為調制度，稱為調制度，0aw wr，是很容易濾除的。，是很容易濾除的。 當調制信號波不是正弦波，而是其它波形時，其諧波由當調制信號波不是正弦波，而是其它波形時，其諧波由兩部分組成，一部分是對信

36、號波本身進行諧波分析所得的兩部分組成，一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率、減少開關次數(shù)在提高直流電壓利用率、減少開關次數(shù)在PWM型逆變電路型逆變電路中是很重要的。中是很重要的。 直流電壓利用率是指逆變電路所能輸出的交流電壓基波直流電壓利用率是

37、指逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值最大幅值U1m和直流電壓和直流電壓Ud之比。之比。 提高直流電壓利用率可以提高逆變器的提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力輸出能力。 減少功率器件的開關次數(shù)可以降低減少功率器件的開關次數(shù)可以降低開關損耗開關損耗。正弦波調制的三相正弦波調制的三相PWM逆變電路的直流電壓利用率很低。逆變電路的直流電壓利用率很低。 在調制度在調制度a為最大值為最大值1時，輸出相電壓的基波幅值為時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2，輸出線電壓的基波幅值為輸出線電壓的基波幅值為 ，即直流電壓利用率僅，即直流電壓利用率僅為為0.866。 實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關

38、斷都需要實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關斷都需要時間，如不采取其他措施，調制度不可能達到時間，如不采取其他措施，調制度不可能達到1，實際能，實際能得到的直流電壓利用率比得到的直流電壓利用率比0.866還要低。還要低。 dU) 2/3(返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)ucurUurVurWuuUNOwtOwtOwtOwtuVNuUV圖圖7-15 梯形波為調制信號的梯形波為調制信號的PWM控制控

39、制 采用梯形波作為調制信號采用梯形波作為調制信號 當梯形波幅值和三角波幅值相等當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值已時，梯形波所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，可以有效地超過了三角波幅值，可以有效地提提高直流電壓利用率高直流電壓利用率。 決定功率開關器件通斷的方法和決定功率開關器件通斷的方法和用正弦波作為調制信號波時完全相用正弦波作為調制信號波時完全相同。同。 對梯形波的形狀用對梯形波的形狀用三角化率三角化率 = Ut/Uto來描述，其中來描述，其中Ut為以橫軸為底為以橫軸為底時梯形波的高，時梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三把

40、梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高。角形的高。 =0時梯形波變?yōu)闀r梯形波變?yōu)榫匦尾ň匦尾ǎ?=1時梯形波變?yōu)闀r梯形波變?yōu)槿遣ㄈ遣ā?返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)圖圖7-16 變化時的變化時的和直流電壓利用率和直流電壓利用率 圖圖7-17 變化時的各次諧波含量變化時的各次諧波含量 由于梯形波中含有由于梯形波中含有低次諧波低次諧波，調制后的，調制后的PWM波仍含有同樣的低次諧波，設波仍含有同樣

41、的低次諧波，設由這些低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產生的波形畸變率為由這些低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產生的波形畸變率為d d，則三角，則三角化率化率 不同時，不同時，d d和直流電壓利用率和直流電壓利用率U1m/Ud也不同。也不同。 =0.4時，諧波含量也較少，約為時，諧波含量也較少，約為3.6%，直流電壓利用率為，直流電壓利用率為1.03，綜合效果，綜合效果較好。較好。用梯形波調制時，輸出波形中含有用梯形波調制時，輸出波形中含有5次次、7次次等低次諧波，這是梯形波調制等低次諧波，這是梯形波調制的缺點，實際應用時，可以考慮將正弦波和梯形波結合使用。的缺點，實際應用時，可以考慮將正弦

42、波和梯形波結合使用。返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)uucr1uOwturur1uOwtur3圖圖7-18 疊加疊加3次諧波的調制信號次諧波的調制信號 線電壓控制方式線電壓控制方式 目標是使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時盡可能提高直流電壓利目標是使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時盡可能提高直流電壓利用率，也應盡量減少功率器件的開關次數(shù)。用率，也應盡量減少功率器件的開關次數(shù)。 在相電壓正弦波

43、調制信號中疊加適當大小的在相電壓正弦波調制信號中疊加適當大小的3次諧波次諧波，使之成為，使之成為鞍形波鞍形波，則經過則經過PWM調制后逆變電路輸出的相電壓中也必然包含調制后逆變電路輸出的相電壓中也必然包含3次諧波，且三相的次諧波，且三相的三次諧波相位相同，在合成線電壓時，各相電壓的三次諧波相位相同，在合成線電壓時，各相電壓的3次諧波相互抵消，次諧波相互抵消，線電壓線電壓為正弦波為正弦波。 圖圖7-18中，調制信號中，調制信號ur成為鞍形波，基波分量成為鞍形波，基波分量ur1的幅值更大，但的幅值更大，但ur的最大的最大值不超過三角波載波最大值。值不超過三角波載波最大值。 基波基波ur1正峰值附近

44、恰為正峰值附近恰為3次諧波次諧波ur3的負半波，的負半波，兩者相互抵消。兩者相互抵消。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)圖圖7-19 線電壓控制方式舉例線電壓控制方式舉例 線電壓控制方式舉例線電壓控制方式舉例 可以在正弦調制信號中疊加可以在正弦調制信號中疊加3次諧波次諧波外，外，還可以疊加其他還可以疊加其他3倍頻于正弦波的信號倍頻于正弦波的信號，也可，也可以再疊加以再疊加直流分量直流分量，這些都不會

45、影響線電壓。，這些都不會影響線電壓。 圖圖7-19中，中，up中既包含中既包含3的整數(shù)倍次諧波，的整數(shù)倍次諧波，也包含直流分量，而且其大小是隨正弦信號的也包含直流分量，而且其大小是隨正弦信號的大小而變化的，設三角波載波幅值為大小而變化的，設三角波載波幅值為1，三相，三相調制信號中的正弦波分量分別為調制信號中的正弦波分量分別為urU1、urV1和和urW1，并令，并令 1),min(rW1rV1rU1puuuu則三相的調制信號分別為則三相的調制信號分別為prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu(7-12)(7-13)返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術

46、 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.5 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)圖圖7-19 線電壓控制方式舉例線電壓控制方式舉例 不論不論urU1、urV1和和urW1幅值的大小，幅值的大小，urU、urV、urW中總有中總有1/3周期的值是和三角波周期的值是和三角波負峰值相等的，其值為負峰值相等的，其值為-1，在這，在這1/3周期周期中，并不對調制信號值為中，并不對調制信號值為-1的一相進行的一相進行控制，而只對其他兩相進行控制，而只對其他兩相進行PWM控制，控制，因此也稱為因此也稱為兩相控制方式兩相控制方

47、式。兩相控制方式有以下優(yōu)點兩相控制方式有以下優(yōu)點 在信號波的在信號波的1/3周期內開關器件不動作，周期內開關器件不動作，可使功率器件的可使功率器件的開關損耗減少開關損耗減少1/3。 最大輸出線電壓基波幅值為最大輸出線電壓基波幅值為Ud，和相，和相電壓控制方法相比，電壓控制方法相比，直流電壓利用率提直流電壓利用率提高了高了15%。 輸出線電壓中輸出線電壓中不含低次諧波不含低次諧波，這是因，這是因為相電壓中相應于為相電壓中相應于up的諧波分量相互抵的諧波分量相互抵消的緣故，這一性能優(yōu)于梯形波調制方消的緣故，這一性能優(yōu)于梯形波調制方式。式。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技

48、技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.6 7.2.6 空間矢量空間矢量SVPWMSVPWM控制控制空間矢量空間矢量SVPWM控制技術廣泛運用于變頻器中，驅動交流電機時，使電機控制技術廣泛運用于變頻器中，驅動交流電機時，使電機的磁鏈成為的磁鏈成為圓形的旋轉磁場圓形的旋轉磁場，從而使電機產生恒定的電磁轉矩。，從而使電機產生恒定的電磁轉矩。 空間矢量空間矢量SVPWM控制技術控制技術 圖圖4-9所示的三相電壓型橋式逆變電路，采用所示的三相電壓型橋式逆變電路，采用180導通方式，共有導通方式，共有8種工種工作狀態(tài)，即作狀態(tài)，即V6、V1、V2通，通

49、，V1、V2、V3通，通，V2、V3、V4通，通，V3、V4、V5通，通，V4、V5、V6通，通，V5、V6、V1通，以及通，以及V1、V3、V5通和通和V2、V4、V6通，用通，用“1”表示每相上橋臂開關導通，用表示每相上橋臂開關導通，用“0”表示下橋臂開關導通，則上述表示下橋臂開關導通，則上述8種工作狀態(tài)種工作狀態(tài)可依次表示為可依次表示為100、110、010、011、001、101以及以及111和和000。 前前6種狀態(tài)有輸出電壓，屬種狀態(tài)有輸出電壓，屬有效工作狀態(tài)有效工作狀態(tài)，而后兩種全部是上管通或下管，而后兩種全部是上管通或下管通，沒有輸出電壓，稱之為通，沒有輸出電壓，稱之為零工作狀

50、態(tài)零工作狀態(tài)，故對于這種基本的逆變器，稱之為，故對于這種基本的逆變器，稱之為6拍逆變器拍逆變器。 圖圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.6 7.2.6 空間矢量空間矢量SVPWMSVPWM控制控制圖圖7-20 電壓空間矢量六邊形電壓空間矢量六邊形 圖圖7-21 空間電壓矢量的線形組合空間電壓矢量的線形組合 對于對于6拍逆變器，在每個工作周期中，拍逆變器，在每個工作周期中，6種種有效工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次，每一種狀態(tài)持續(xù)有效工作狀態(tài)

51、各出現(xiàn)一次，每一種狀態(tài)持續(xù)60，在一個周期中，在一個周期中6個電壓矢量共轉過個電壓矢量共轉過360，形成一個，形成一個封閉的正六邊形封閉的正六邊形，對于，對于111和和000這兩個這兩個“零工作狀態(tài)零工作狀態(tài)”，在這里表現(xiàn)，在這里表現(xiàn)為位于原點的零矢量，坐落在正六邊形的中為位于原點的零矢量，坐落在正六邊形的中心點。心點。 采用采用PWM控制，就可以使交流電機的磁控制，就可以使交流電機的磁通盡量接近圓形，工作頻率越高，磁通就越通盡量接近圓形，工作頻率越高，磁通就越接近圓形，需要的電壓矢量不是接近圓形，需要的電壓矢量不是6個基本電個基本電壓矢量時，可以用壓矢量時，可以用兩個基本矢量兩個基本矢量和和

52、零矢量零矢量的的組合來實現(xiàn)。組合來實現(xiàn)。如圖如圖7-21中，所要的矢量為中，所要的矢量為us，用基本矢，用基本矢量量u1和和u2的線形組合來實現(xiàn)，的線形組合來實現(xiàn)，u1和和u2的作用的作用時間一般小于開關周期時間一般小于開關周期To的的60，不足的時，不足的時間可用間可用“零矢量零矢量”補齊。補齊。 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.7 PWM7.2.7 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化圖圖7-22 二重二重PWM型逆變電路型逆變電路 目的是為了提高等效開關頻率，減少開關損

53、耗，減目的是為了提高等效開關頻率，減少開關損耗，減少和載波有關的諧波分量。少和載波有關的諧波分量。PWM逆變電路多重化聯(lián)結方式有逆變電路多重化聯(lián)結方式有變壓器方式變壓器方式和和電電抗器方式抗器方式。電抗器聯(lián)接的二重電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路逆變電路 電路的輸出從電抗器中心抽頭處引出。電路的輸出從電抗器中心抽頭處引出。 兩個單元逆變電路的載波信號相互錯開兩個單元逆變電路的載波信號相互錯開180，輸出端相對于直流電源中點輸出端相對于直流電源中點N的電壓的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變?yōu)閱螛O性，已變?yōu)閱螛O性PWM波了，輸出波了，輸出線電壓共有線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電

54、平，比非多重五個電平，比非多重化時諧波有所減少?；瘯r諧波有所減少。 所加電壓的頻率越高，電抗器所需的電感量就越所加電壓的頻率越高，電抗器所需的電感量就越小。小。圖圖7-23 二重二重PWM型逆變電路輸出波形型逆變電路輸出波形 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.2.7 PWM7.2.7 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化二重化后，輸出電壓中所含諧波的二重化后，輸出電壓中所含諧波的角頻率仍可表示為角頻率仍可表示為nw wc+kw wr，但其，但其中當中當n為奇數(shù)時的諧波已全部被除為奇

55、數(shù)時的諧波已全部被除去，諧波的最低頻率在去，諧波的最低頻率在2w wc附近，附近，相當于電路的等效載波頻率提高了相當于電路的等效載波頻率提高了一倍。一倍。 圖圖7-22 二重二重PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-23 二重二重PWM型逆變電路輸出波形型逆變電路輸出波形 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.3 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 7.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 7.3.2 三角波比較方式三角波比較方式返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術

56、曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式圖圖7-24 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tOiii*+D Ii*-D Ii*圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流出電流 跟蹤控制方法：把希望輸出的電跟蹤控制方法：把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號，把實流或電壓波形作為指令信號，把實際電流或電壓波形作為反饋信號，際電流或電壓波形作為反饋信號，通過通過兩者的瞬時值比較兩者的瞬時值比較來決定逆變來決定逆變電路各功率開關器件的通斷，使實電路各功率開關器件的通斷，使實際的輸

57、出跟蹤指令信號變化際的輸出跟蹤指令信號變化滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 電流跟蹤控制電流跟蹤控制應用最多。應用最多。 PWM電流跟蹤控制單相半橋電流跟蹤控制單相半橋式逆變電路式逆變電路 把把指令電流指令電流i*和和實際輸出電實際輸出電流流i的偏差的偏差i*-i作為帶有滯環(huán)特性的作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件功率器件V1和和V2的通斷。的通斷。 電抗器電抗器返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式控制規(guī)律控制

58、規(guī)律 當當V1（或（或VD1）導通時，）導通時，i增大。增大。 當當V2（或（或VD2）導通時，）導通時，i減小。減小。 通過環(huán)寬為通過環(huán)寬為2I的滯環(huán)比較器的滯環(huán)比較器的控制，的控制，i就在就在i*+I和和i*-I的范的范圍內，呈圍內，呈鋸齒狀鋸齒狀地跟蹤指令電地跟蹤指令電流流i*。環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。關損耗增大。L大時，大時，i的變化率小，跟蹤慢；的變化率小，跟蹤慢；L小時，小時，i的變化率大，開關頻的變化率大，開關頻率過高。率過高。圖圖7-2

59、4 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tOiii*+D Ii*-D Ii*圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 返 回上 頁下 頁第第 七七 章章 PWM 控控 制制 技技 術術 曠曠 建建 軍軍 的的 講講 義義2021-12-112021-12-117.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式圖圖7-26 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 由三個單相半橋電路組成，三相電流由三個單相半橋

60、電路組成，三相電流指令信號指令信號i*U、i*V和和i*W依次相差依次相差120。 在線電壓的正半周和負半周內，都有在線電壓的正半周和負半周內，都有極性相反的脈沖輸出，這將使極性相反的脈沖輸出，這將使輸出電壓中輸出電壓中的諧波分量的諧波分量增大，也使增大，也使負載的諧波損耗負載的諧波損耗增增加。加。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點變流電路有如下特點 硬件電路簡單。硬件電路簡單。 實時控制，電流響應快。實時控制，電流響應快。 不用載波，輸出電壓波形中不含特定不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。頻率的諧波。 和計算法及調制法相比，相同開關頻和