PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述報(bào)告

1、pwM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述報(bào)告采樣控制理論中有一個(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。 pWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo) 通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不 相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。 按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路 輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子 器件發(fā)展水平的制約， 在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。 直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn) 和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。

2、隨著電力電子 技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論 方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。 到目前為止， 已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)，根據(jù)PWMg制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以 下 8 類方法。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 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PWMfe正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而 來(lái)的，是PWMfe中最為簡(jiǎn)單的一種。它是把每一脈沖的

3、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。在上世紀(jì) 70 年代開始至上世紀(jì) 80 年代初，由于當(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 ) ，

4、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?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)題的全新思路。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用 較廣泛的PWMfe。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。SPWMfc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P

5、WM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。該方案實(shí)際上就是 SPWM法原理的直接闡釋，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

6、 的缺點(diǎn)。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 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。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。以正弦波為調(diào)制

7、波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩 個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采 樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得 SPWM波形最接近正弦波，但由于三角 波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距， 從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程， 計(jì)算繁瑣， 難以實(shí)時(shí)控制。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) 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

8、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 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。低次諧波消去法是以消去 PWM波形中某些主要的低次諧 波為目的的方法。其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開， 表示為u( 3 t)=ansinn 3 t，首先確定基波分量 al的值，再

9、 令兩個(gè)不同的an=0，就可以建立三個(gè)方程， 聯(lián)立求解得al， a2及a3,這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是， 剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存 在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法,其直流電壓利用率僅為 %。因此，為了提高直流電壓利用率， 提出了一種新的方法梯形波與三角波比較法。該方法是 采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角波為載波，且使兩波幅值相 等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM空制。由于當(dāng)梯形波幅值和三角

10、波幅值相等時(shí)，其所含的基波 分量幅值已超過(guò)了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電 壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形 中含有 5 次、 7 次等低次諧波。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。馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波， 調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是

11、在調(diào)制 信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過(guò) 三角波幅值， 提高了直流電壓利用率。 在三相無(wú)中線系統(tǒng)中， 由于三次諧波電流無(wú)通路，所以三個(gè)線電壓和線電流中均不 含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他 3 倍頻于 正弦波信號(hào)的其他波形，這些信號(hào)都不會(huì)影響線電壓。這是 因?yàn)?，?jīng)過(guò)PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相 應(yīng)的 3 倍頻于正弦波信號(hào)的諧波，但在合成線電壓時(shí)，各相 電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。因?yàn)?，三相?duì)稱線電壓有 Uuv+Uvw+Uwu=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?，F(xiàn)在 把一個(gè)周期等分為 6

12、 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°區(qū)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， 且規(guī)律性很強(qiáng)， 負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相，因此，只要半個(gè)周期兩 邊 60 °區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定， 線電壓

13、的調(diào)制脈沖波形就唯 一地確定了。這個(gè)脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，但 由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了。該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗 和加寬線性控制區(qū)，同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)控制的方便，但該 方法只適用于異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍較小。電流控制PWM勺基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者瞬時(shí) 值的比較來(lái)決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào) 的改變而改變。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下 3 種。滯環(huán)比較法這是一種帶反饋的 PWM控制方式，即每相電流反饋回來(lái) 與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器，得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件

14、的開關(guān) 狀態(tài)，使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是 電路簡(jiǎn)單， 動(dòng)態(tài)性能好， 輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。 其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音，和其他方法 相比，在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。該方法與 SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過(guò)放 大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波。此時(shí)開關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn)。但是， 這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。預(yù)測(cè)電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí)，根據(jù)實(shí)際電流 誤差，負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量， 來(lái)預(yù)測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì)， 因此，下一個(gè)調(diào)節(jié)周期

15、由 PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù) 測(cè)的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信 息，則可獲得比較快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。目前，這類調(diào)節(jié)器的 局限性是響應(yīng)速度及過(guò)程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性?？臻g電壓矢量控制 PWM（SVPW也叫磁通正弦 PWMfeo它 以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓 形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的 實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器 的開關(guān)，形成PWM波形。此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變 器和電機(jī)看作一個(gè)整體，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控 制，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng) （ 正弦磁通 ） o具體方法又分為磁通開

16、環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法 用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若 采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正 弦波調(diào)制時(shí)提高15%諧波電流有效值之和接近最小。磁通 閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比 較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢 量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解 決了電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問(wèn)題，減小了電機(jī)的脈 動(dòng)和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根 本性的改善。矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在 三相坐標(biāo)系下的定子電流 la ,1b及Ic，通過(guò)三相/二相變換， 等效成兩

17、相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1 及 Ib1 ，再通過(guò)按 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電 流 Im1 及 It1（Im1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； It1 相當(dāng) 于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 ） ，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控 制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī) 等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控 制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁 場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù) 雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這 是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外. 它必須

18、直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控 制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器， 這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。1985 年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn) 矩控制理論(Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱 DTC)。直接轉(zhuǎn)矩 控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間 接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制，它也不需 要解耦電機(jī)模型，而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn) 矩的實(shí)際值， 然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band-Band 控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，從而在很大程度上 解決了上述矢

19、量控制的不足，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化， 有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以 新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能 得到了迅速發(fā)展。但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn)，如逆變器開關(guān)頻率的提高 有限制。單 周控 制 法又 稱 積分 復(fù) 位控 制 (Integration Reset Control ，簡(jiǎn)稱 IRC) ，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本 思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與 控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控 制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá) 到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積 分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS 觸發(fā)器，此中 K 可以是任何物理開關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽 象信號(hào)。單周控制在控制電路中不需要誤差綜合 , 它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一