電力電子課第7章1pwm控制技術(shù)

PWM控制技術(shù)1PulseWidthModulationTechnology主講：伍文俊2§7.1概述

（Introduction）PWM（PulseWidthModulation）：脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。一、PWM二、PrincipleofOperation

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。3沖量即指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。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。

4三、PrincipleofSPWM

脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，且和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形。等幅PWM波不等幅PWM波PWM波分類PWMPAM5四、PWM

Techniques三角波采樣（Triangular-wavesampling）自然采樣（Naturalsampling）規(guī)則采樣（Uniformsampling）計(jì)算法Calculation基于等面積法選擇性諧波消去法（Selectiveharmonicselimination）滯環(huán)控制（Hystereticcontrol）空間矢量調(diào)制SpaceVectorModulation(SVM,orSVPWM)6五、PWM

ApplicationsDC/DCAC/ACDC/ACAC/DCPWM控制7§7.2PWM逆變電路及其控制方法（PWMInverteranditsControlMethods）

根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將PWM波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

特點(diǎn)：計(jì)算繁瑣。

一、CalculatingMethod二、RegulatingMethod調(diào)制波：希望輸出的波形；載波：接受調(diào)制的信號；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。

8三、SinglephaseBridgePWM

InverterurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud1、單極性調(diào)制：在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波單極性；在ur的半個(gè)周期內(nèi)，PWM波為+Ud，0或-Ud，0兩種。ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。ur負(fù)半周，V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替。9fr=50Hz,fc=550Hz單相SPWM主電路10fr=50Hz,fc=550Hz單相SPWM主電路11不同頻率的影響—波形fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz12fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz不同頻率的影響—FFT分析13fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz不同頻率的影響—FFT分析放大14不同調(diào)制度的影響—波形m=1m=0.515m=1m=0.5不同調(diào)制度的影響—FFT分析162、雙極性調(diào)制：在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)；PWM波有正有負(fù)，只有±Ud兩種。ur正負(fù)半周，各開關(guān)器件的控制相同。當(dāng)ur>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號，給V1和V4關(guān)斷信號。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。17fr=50Hz,fc=550Hz單相SPWM主電路18fr=50Hz,fc=550Hz單相SPWM主電路19fr=50Hz,fc=550Hz不同頻率的影響—FFT分析20fr=50Hz,fc=1950Hz不同頻率的影響—FFT分析21單極性及雙極性調(diào)制對比：每半個(gè)周波輸出電壓波形對比：單極性：Ud，0或-Ud，0；

雙極性：Ud或-Ud。開關(guān)次數(shù)：單極性少，雙極性多?？刂泼}沖：單極性：復(fù)雜。調(diào)制波正、負(fù)半周V1和V2互補(bǔ)且為方波，V3和V4互補(bǔ)且為PWM波。雙極性：簡單。調(diào)制波正、負(fù)半周V1和V4相同，V2和V3相同，V1(V4)和V2(V3)互補(bǔ)。22四、ThreePhaseBridgePWM

Inverter采用雙極性控制方式。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波，三相的調(diào)制信號依次相差120°。23相電壓---兩電平

當(dāng)urU>uc時(shí)，上橋臂V1導(dǎo)通，下橋臂V4關(guān)斷，則U相相對于直流電源假想中點(diǎn)N’的輸出電壓為Ud/2。當(dāng)urU<uc時(shí)，V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，則U相相對于直流電源假想中點(diǎn)N’的輸出電壓為-Ud/2。線電壓----三電平臂1和6導(dǎo)通：uUV=Ud。臂3和4導(dǎo)通：uUV=－Ud。臂1和3或臂4和6導(dǎo)通：uUV=0。負(fù)載相電壓-----五電平

(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0工作特點(diǎn)：24脈沖上橋和下橋臂的IGBT驅(qū)動(dòng)信號始終是互補(bǔ)的，且要加死區(qū)。導(dǎo)通特性當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。25五、SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷次數(shù)有限。如各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。特定諧波消去法:26為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對稱，即為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對稱 同時(shí)上兩式波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數(shù)表示為

式中，an為27若獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…

若確定基波a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3。28

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?？煽紤]消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：

給定a1，解方程可得α1、α2和α3。a1變，α1、α2和α3也相應(yīng)改變。29一般在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)自由度控制基波幅值外，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。k的取值越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜。

該法在工程中如果采用實(shí)時(shí)計(jì)算則無法完成，在穩(wěn)態(tài)的控制使用較多，動(dòng)態(tài)控制不適用。30六、asynchronousandsynchronousmodulation1、載波比

載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr。2、異步調(diào)制特點(diǎn)：通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的。在調(diào)制信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。同步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。31當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小。當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大。3.同步調(diào)制

載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。特點(diǎn)：基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。32三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。fr很高時(shí)，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。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)。33

異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。低頻時(shí)：異步調(diào)制；高頻時(shí)：同步調(diào)制；這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。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。4.分段同步調(diào)制實(shí)線表示輸出頻率增高時(shí)的切換頻率虛線表示輸出頻率降低時(shí)的切換頻率34

七、UniformSampling----規(guī)則采樣法自然采樣法：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)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。規(guī)則采樣法35

在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號波采樣得D點(diǎn)，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開關(guān)器件的通斷。正弦調(diào)制信號波-----a稱為調(diào)制度，0≤a<1；則脈沖寬度：36與自然采樣法的差別：脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近；自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）不重合；而規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對稱，使計(jì)算大為簡化。37八、HarmonicAnalysisofPWMInverter

前提：

以雙極性SPWM波形為準(zhǔn)，同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式。分析方法：

以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達(dá)式。

單相的分析結(jié)果諧波角頻率為:式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…時(shí)，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及2wc、3wc等及其附近的諧波。38±k)角頻率(nωcωr1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=039三相的分析結(jié)果公用載波信號時(shí)的情況輸出線電壓中的諧波角頻率為：式中，n=1,3,5,…時(shí)，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時(shí)，1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc+kwr)諧波振幅40三相和單相比較，共同點(diǎn)是都不含低次諧波，一個(gè)較顯著的區(qū)別是載波角頻率ωc整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。SPWM波中諧波主要是角頻率為ωc、2ωc及其附近的諧波，很容易濾除。諧波分析小結(jié)：

在實(shí)際電路中，采樣時(shí)刻的誤差和死區(qū)會使諧波的分布情況將更為復(fù)雜，諧波含量更多一些。SPWM波形中所含的諧波主要是：c、2c及其附近的諧波，一般情況下c>>r，是很容易濾除的。41直流電壓利用率：逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率目的：提高逆變器的輸出能力。減少器件的開關(guān)次數(shù)目的：降低開關(guān)損耗。正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實(shí)際還更低。九、AdvancedPWM2、AdvancedPWM：梯形波調(diào)制方法馬鞍波調(diào)制方法1、衡量逆變電路PWM的主要評價(jià)指標(biāo)：

諧波，直流電壓利用率，開關(guān)次數(shù)。線電壓調(diào)制方法42梯形調(diào)制波馬鞍形調(diào)制波43ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV3、梯形波調(diào)制

◆當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，梯形波所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，可以有效地提高直流電壓利用率。

◆決定功率開關(guān)器件通斷的方法和用正弦波作為調(diào)制信號波時(shí)完全相同。

◆三角化率=

Ut/Uto來描述，其中Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高。

◆=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾ǎ?1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣ā?/p>

44◆=0.4時(shí)，諧波含量也較少，諧波畸變率約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好。◆用梯形波調(diào)制時(shí)，輸出波形中含有5次、7次等低次諧波，這是梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以考慮將正弦波和梯形波結(jié)合使用。454、線電壓控制方式◆目標(biāo)：使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，也應(yīng)盡量減少功率器件的開關(guān)次數(shù)。

◆方法：在相電壓正弦波調(diào)制信號中疊加：

適當(dāng)大小的3次諧波，使之成為鞍形波；

其他3倍頻于正弦波的信號；

疊加直流分量。

◆結(jié)果：在合成線電壓時(shí)，各相電壓的3次諧波相互抵消，線電壓仍為正弦波。合成后ur的最大值不超過三角波載波最大值。

46三次諧波取法很多！可提高電壓利用率15%47線電壓控制方式舉例:1、疊加三次諧波48（疊加3倍次諧波和直流分量）2、最小損耗PWM法：則三相的調(diào)制信號分別為：疊加up，既包含3倍次諧波，也包含直流分量，up大小隨正弦信號的大小而變化。設(shè)三角波載波幅值為1，三相調(diào)制信號的正弦分別為ura1、urb1和urc1，并令偏移函數(shù)：4950

顯然，不開關(guān)區(qū)只在原調(diào)制波的負(fù)半周出現(xiàn)，如果想在正負(fù)半周都出現(xiàn)，偏移函數(shù)按如下變化：5152不論ura1、urb1和urc1幅值的大小，ura、urb、urc總有1/3周期的值和三角波負(fù)峰值和正峰值相等。在這1/3周期中，不對調(diào)制信號值為-1和1的相進(jìn)行控制，只對其他兩相進(jìn)行控制，這種控制方式稱為兩相控制方式

。

優(yōu)點(diǎn)：（1）在1/3周期內(nèi)器件不動(dòng)作，開關(guān)損耗減少1/3。（2）最大輸出線電壓基波幅值為Ud，直流電壓利用率提高。（3）輸出線電壓不含低次諧波，優(yōu)于梯形波調(diào)制方式。53電壓空間矢量控制起源：交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速；目的：追求電流正弦化電壓型逆變電路→電流遠(yuǎn)非正弦，電流諧波產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電動(dòng)機(jī)損耗增大→出現(xiàn)電流型逆變，直接追求電流正弦化。電流正弦化目的：建立圓形磁鏈軌跡(以便產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩)，故按圓形磁鏈軌跡為控制目標(biāo)更直接。按圓形磁鏈軌跡為目標(biāo)形成PWM信號，稱為磁鏈跟蹤控制。由于磁鏈軌跡可借助電壓空間矢量疊加而得，故又稱電壓空間矢量控制。

應(yīng)用：電壓空間矢量控制雖由交流調(diào)速而生，但其應(yīng)用已不僅局限于交流調(diào)速。十、SpaceVectorControl----空間電壓矢量控制54設(shè)三相電壓為：定義：空間電壓矢量（Spacevector）為模為相電壓峰值，且以角頻率按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)。在三相坐標(biāo)軸上的投影就是對稱的三相正弦量。1.基本概念：55在αβ坐標(biāo)下：其中：abcv