激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第五章第五節(jié)講解

1、正弦半波通過(guò)調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按第五節(jié)脈沖調(diào)制方法脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中 脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣 泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極

2、的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模 擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的 控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié) 合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振波開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓

3、在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有 效的技術(shù)。一、PWM基本思想PWM （Pulse Width Modulation）控制就是 脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效獲得所需要的波形（波形含形狀和幅值兩部分）。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，所謂的面積等效原理是包括沖量和效果，沖量 相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)時(shí)，其效果基本相同。沖量指的是窄脈沖的面積，效 果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。圖5-22為常用

4、形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖，有矩形脈沖、三角形脈沖、正弦半波脈沖和單位脈沖函數(shù)。勿葩趣J踽b）三箭趣沖c:征養(yǎng)豐也踽審草妙沖函蠱正弦規(guī)率變化， 根據(jù)面積等效原理加在具有慣性環(huán)節(jié)的電路的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生等寬不等幅脈沖,幅度按正弦規(guī)率變化的正弦波。若要改變等效輸出正弦波的幅值，只需要按同一比例改變各脈沖寬度就可以產(chǎn)生不同幅度波形。正弦半波通過(guò)調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法得到SPWM波形，因此一個(gè)完整周期正弦波等效的SPWM波如下圖5-23所示，該圖表示的是單極性SPWM波。根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖 5-24中的S

5、PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。這種波形又叫雙 極性SPWM波。當(dāng)輸入電源是恒定直流時(shí)候講產(chǎn)生的是等幅SPWM波，當(dāng)輸入電源是交流或不是恒定的直流的時(shí)候講產(chǎn)生不等幅SPWM波。正弦半波通過(guò)調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按應(yīng)用電壓型逆變電路進(jìn)行 進(jìn)行PWM控制，得到的就是 波電路可以獲得直流波形，而二、PWM控制方法PWM控制，得到的就是 PWM電壓波。應(yīng)用電流型逆變電路PWM電流波形。通過(guò) PWM波可等效成各種波形，比如直流斬SPWM波電路可以獲得正弦波形。1.等脈寬PWM法WVF(VariableVoltage Variable Frequen

6、cy )裝置在早期是采 用 PAM(Pulse AmplitudeModulation )控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓等脈寬PWM法正是為了克服 PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改 變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓， 采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對(duì)于 PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中 除基波外，還包含較大的諧波分量。2. 隨機(jī) PWM 法在上世紀(jì) 70 年代開始至上世紀(jì) 80 年代初，由

7、于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓 三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz, 電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注 .為求得改善， 隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生 .其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為 限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的) ，盡管噪音的總分貝數(shù)未變， 但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱. 正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價(jià)值；另一 方面則說(shuō)明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī) PWM 技術(shù)正 是提供了一個(gè)分析，解決這種問(wèn)題的全

8、新思路。3.SPWM 法SPWM(Sinusoidal PWM )法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的 PWM 法。前面提到 的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論： 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(shí)， 其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)， 用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波 等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷， 使其輸出的脈沖電壓的面 積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié) 逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。4. 等面積法該方案實(shí)際上就是 SPWM 法原理的直接闡釋，

9、用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序 列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式 生成 PWM 信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷， 以達(dá)到預(yù)期的目的 . 由于此方法是以 SPWM 控制的基本 原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波， 但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。5. 硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作 為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形 .通常 采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是

10、 SPWM 波形 .其實(shí)現(xiàn)方 法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交 點(diǎn) ,在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM 波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成6. 軟件生成法SPWM 波形變得比較容易， 因此， 軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。7. 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)

11、 SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)（或底點(diǎn)）位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（此時(shí)為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱， 這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。8. 線電壓控制 PWM法前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出

12、相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線對(duì)稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法。9. 單元脈寬調(diào)制法因?yàn)?，三相?duì)稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=O 的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和.現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區(qū)間，每區(qū)間60°對(duì)于某一線電壓例如Uuv，半個(gè)周期兩邊 60°區(qū)間用 Uuv本身表示，中間60°區(qū)間用-（Uvw+Uwu ）表示，當(dāng)將Uvw和Uwu 作同樣處理時(shí)，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù).把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào)，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似（實(shí)踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行），就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對(duì)稱，且