PWM控制技術(shù)課件

1、第7章 PWM控制技術(shù) 引言 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆變電路及其控制方法 7.3 PWM跟蹤控制技術(shù) 7.4 PWM整流電路及其控制方法 本章小結(jié)PWM控制對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）直流斬波電路斬控式交流調(diào)壓電路矩陣式變頻電路第7章 PWM控制技術(shù) 引言第7章 PWM控制技術(shù) 引言PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。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控制技術(shù)正是有賴(lài)于在逆變電路中的

2、成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。現(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)，因此，本章和第4章（逆變電路）相結(jié)合，才能使我們對(duì)逆變電路有完整地認(rèn)識(shí)。7.1 PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)面積等效原理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。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖7-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)7.1 PWM控制的基本思想b)圖7-2 沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說(shuō)明“面積等效原

3、理”a）u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應(yīng)。 7.1 PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Out7.1 PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。7.1 PWM控制的基本思想等幅PWM波輸入電源是恒定直流 第5章的直流斬波電路 7.2節(jié)的PWM逆變電路 7.4節(jié)的

4、PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流 6.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路 6.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUot7.1 PWM控制的基本思想2）PWM電流波 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如: 所需波形 等效的PWM波7.2 PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。7.2 PWM

5、逆變電路及其控制方法 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法 7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制 7.2.3 規(guī)則采樣法 7.2.4 PWM逆變電路的諧波分析 7.2.5 提高直流電壓利用率和減少開(kāi)關(guān)次數(shù) 7.2.6 空間矢量SVPWM控制 7.2.7 PWM逆變電路的多重化 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形1）計(jì)算法本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。等腰三角波或鋸齒波等腰三角波上任一點(diǎn)的水平寬度和高度成線(xiàn)性關(guān)系，且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)

6、波相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖調(diào)制法把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波得調(diào)制得到所期望的PWM波形2）調(diào)制法7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。負(fù)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(fù)。負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud 。2）調(diào)制法圖74 單相橋式PWM逆變電路結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法2）調(diào)制法圖74 單相橋式PWM逆變

7、電路V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud 。V4關(guān)斷V3開(kāi)通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法3）單極性PWM控制方式（單相橋逆變）ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)uruc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud 。當(dāng)uruc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud 。當(dāng)ur

8、uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。圖7-6 雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 對(duì)照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對(duì)開(kāi)關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法4）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖7-7

9、三相橋式PWM型逆變電路 三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差1207.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖7-7 三相橋式PWM型逆變電路 圖7-8 三相橋式PWM逆變電路波形 下面以U相為例分析控制規(guī)律：當(dāng)urUuc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN=Ud/2。當(dāng)urUuc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN=-Ud/2。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)

10、通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN-uVN得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法輸出線(xiàn)電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO

11、?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖7-7 三相橋式PWM型逆變電路 圖7-8 三相橋式PWM逆變電路波形 7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N= fc / fr載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況異步調(diào)制PWM調(diào)制方式分為同步調(diào)制調(diào)制比M1). 異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，PW

12、M波形接近正弦波當(dāng)信號(hào)頻率增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，使得輸出PWM波和正弦波差異變大7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制2） 同步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud圖7-10 同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱(chēng)。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，

13、fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)?？稍诘皖l輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。圖7-11 分段同步調(diào)制方式舉例 1. SPWM波生成的基本方法1) 采用模擬電路生成SPWM波形按照SPWM產(chǎn)

14、生的原理，是用分立的模擬或數(shù)字電路來(lái)構(gòu)成正弦信號(hào)發(fā)生器、三角波發(fā)生器生成調(diào)制波和載波，再通過(guò)比較器自動(dòng)完成兩者交點(diǎn)的確定，即可在比較器的輸出端直接輸出SPWM矩形波。這種方法的實(shí)時(shí)性好，但其電路復(fù)雜、可靠性低，靈活性差，輸出波形優(yōu)化困難。為增加該方法的靈活性和可靠性，也有利用單片機(jī)的計(jì)算與存儲(chǔ)功能和D/A轉(zhuǎn)換器參與三角波和正弦波的生成或直接生成SPWM波形。7.2.3 規(guī)則采樣法2) 直接采用集成電路產(chǎn)生SPWM波采用集成電路產(chǎn)生SPWM波的方法簡(jiǎn)單可靠，方便易行。3) 采用微處理器的SPWM控制近年來(lái)，微處理器的發(fā)展特別迅速，許多廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

15、。這些微處理器有專(zhuān)用的輸出端口，可在軟件支持下產(chǎn)生SPWM波形。7.2.3 規(guī)則采樣法7.2.3 規(guī)則采樣法2.自然采樣法： 按照SPWM控制的基本原理產(chǎn)生的PWM波的方法，其求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中在線(xiàn)計(jì)算，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d圖7-12 規(guī)則采樣法 3.規(guī)則采樣法 工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。7.2.3 規(guī)則采樣法三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc 。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波(負(fù)峰點(diǎn))重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計(jì)算大為減化。如圖所示確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。脈沖寬度d 和用

16、自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 規(guī)則采樣法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d圖7-12 規(guī)則采樣法 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(7-7)a稱(chēng)為調(diào)制度，0a1；wr為信號(hào)波角頻率從圖7-12得, (7-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d圖7-12 規(guī)則采樣法 7.2.3 規(guī)則采樣法3）三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為dU、d V和d W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓

17、之和為零，由式(7-6)得 由式(7-7)得利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算(7-8)(7-9)7.2.6 空間矢量SVPWM控制空間矢量SVPWM控制技術(shù)廣泛運(yùn)用于變頻器中，驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)時(shí)，使電機(jī)的磁鏈成為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使電機(jī)產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 空間矢量SVPWM控制技術(shù) 圖4-9所示的三相電壓型橋式逆變電路，采用180導(dǎo)通方式，共有8種工作狀態(tài)，即V6、V1、V2通，V1、V2、V3通，V2、V3、V4通，V3、V4、V5通，V4、V5、V6通，V5、V6、V1通，以及V1、V3、V5通和V2、V4、V6通，用“1”表示每相上橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，用“0”表示下橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則上述8

18、種工作狀態(tài)可依次表示為100、110、010、011、001、101以及111和000。 前6種狀態(tài)有輸出電壓，屬有效工作狀態(tài)，而后兩種全部是上管通或下管通，沒(méi)有輸出電壓，稱(chēng)之為零工作狀態(tài)，故對(duì)于這種基本的逆變器，稱(chēng)之為6拍逆變器。 圖4-9 三相電壓型橋式逆變電路 7.2.6 空間矢量SVPWM控制圖7-20 電壓空間矢量六邊形 圖7-21 空間電壓矢量的線(xiàn)形組合 對(duì)于6拍逆變器，在每個(gè)工作周期中，6種有效工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次，每一種狀態(tài)持續(xù)60，在一個(gè)周期中6個(gè)電壓矢量共轉(zhuǎn)過(guò)360，形成一個(gè)封閉的正六邊形，對(duì)于111和000這兩個(gè)“零工作狀態(tài)”，在這里表現(xiàn)為位于原點(diǎn)的零矢量，坐落在正六邊形的

19、中心點(diǎn)。 采用PWM控制，就可以使交流電機(jī)的磁通盡量接近圓形，工作頻率越高，磁通就越接近圓形，需要的電壓矢量不是6個(gè)基本電壓矢量時(shí)，可以用兩個(gè)基本矢量和零矢量的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖7-21中，所要的矢量為us，用基本矢量u1和u2的線(xiàn)形組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，u1和u2的作用時(shí)間一般小于開(kāi)關(guān)周期To的60，不足的時(shí)間可用“零矢量”補(bǔ)齊。 7.2.7 PWM逆變電路的多重化圖7-22 二重PWM型逆變電路 目的是為了提高等效開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗，減少和載波有關(guān)的諧波分量。PWM逆變電路多重化聯(lián)結(jié)方式有變壓器方式和電抗器方式。電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路 電路的輸出從電抗器中心抽頭處引出。 兩個(gè)單元逆變電路的

20、載波信號(hào)相互錯(cuò)開(kāi)180，輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)N的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波了，輸出線(xiàn)電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個(gè)電平，比非多重化時(shí)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小。圖7-23 二重PWM型逆變電路輸出波形 7.2.7 PWM逆變電路的多重化二重化后，輸出電壓中所含諧波的角頻率仍可表示為nc+kr，但其中當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)的諧波已全部被除去，諧波的最低頻率在2c附近，相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高了一倍。 圖7-22 二重PWM型逆變電路 圖7-23 二重PWM型逆變電路輸出波形 7.3 PWM跟蹤控制技術(shù)PWM波形生成的第三種方

21、法跟蹤控制方法。把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為 反饋信號(hào)，通過(guò)兩者的瞬時(shí)值比較來(lái)決定逆變電路 各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào) 變化。常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。7.3 PWM跟蹤控制技術(shù) 7.3.1 滯環(huán)比較方式 7.3.2 三角形比較方式 7.3.1 滯環(huán)比較方式 1) 跟蹤型PWM變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。tOiii*+D Ii*-D Ii*圖7-23 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖7-22 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，

22、i減小通過(guò)環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。參數(shù)的影響環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用7.3.1 滯環(huán)比較方式2) 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(diǎn)。 （1）硬件電路簡(jiǎn)單。 （2）實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。 （3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。 （4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出電流 中高次諧波含量多。 （5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)。7.3.1 滯環(huán)比