介紹幾種PWM控制方法

PWM介紹幾種PWM掌握方法掌握方法采樣掌握理論中有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果根本一樣.PWM掌握技術(shù)就是以該結(jié)論為理論根底,對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)展掌握,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.按肯定的規(guī)章對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)展調(diào)制,既可轉(zhuǎn)變逆變電路輸出電壓的大小,也可轉(zhuǎn)變輸出頻率.PWM掌握的根本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件進(jìn)展水平的制約,在上世紀(jì)80年月以前始終未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年月,隨著全控型電力電子器件的消滅和快速進(jìn)展,PWM掌握技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)掌握技術(shù)的進(jìn)展以及各種的理論方法,如現(xiàn)代掌握理論,非線性系統(tǒng)掌握思想的應(yīng)用,PWM掌握技術(shù)獲得了空前的進(jìn)展.到目前為止,已消滅了多種PWM掌握技術(shù),依據(jù)PWM為止主要有以下8類方法.相電壓掌握PWM等脈寬PWM法[1]VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是承受PAM(PulseAmplitudeModulation)掌握技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其逆變器局部只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了抑制PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)進(jìn)展而來(lái)的,是PWM法中最為簡(jiǎn)潔的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過(guò)轉(zhuǎn)變脈沖列的周期可以調(diào)頻,轉(zhuǎn)變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,承受適當(dāng)掌握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)化了電路構(gòu)造,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,還包含較大的諧波重量.隨機(jī)PWM在上世紀(jì)70年月開(kāi)頭至上世紀(jì)80年月初,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)轉(zhuǎn)變開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大減弱.正由于如此,即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今日,對(duì)于載波頻率必需限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)PWM仍舊有其特別的價(jià)值;另一方面則說(shuō)明白消退機(jī)械和電磁噪音的最正確方法不是盲目地提高工作頻率,隨機(jī)PWM技術(shù)正是供給了一個(gè)分析,解決這種問(wèn)題的全思路.SPWMSPWM(SinusoidalPWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣掌握理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果根本一樣.SPWM法就是以該結(jié)論為理論根底,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波形掌握逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所期望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)轉(zhuǎn)變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)整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.等面積法該方案實(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)掌握開(kāi)關(guān)器件的通斷,以到達(dá)預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM掌握的根本原理為動(dòng)身點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)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)掌握的缺點(diǎn).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,其原理就是把所期望的波形作為調(diào)制信號(hào),把承受調(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.通常承受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)潔,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(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)展掌握,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路構(gòu)造簡(jiǎn)單,難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的掌握.軟件生成法由于微機(jī)技術(shù)的進(jìn)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較簡(jiǎn)潔,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,其有兩種根本算法,即自然采樣法和規(guī)章采樣法.自然采樣法[2]以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)展比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻掌握開(kāi)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)掌握.規(guī)章采樣法[3]規(guī)章采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程有用方法,一般承受三角波作為載波.其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)展采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻掌握開(kāi)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)展采樣時(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)章采樣.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)展采樣時(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)章采樣.規(guī)章采樣法是對(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)潔,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)章采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線性掌握范圍較小.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[2]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)開(kāi)放,表示為u(ωt)=ansinnωt,首先確定基波重量a1的值,再令兩個(gè)不同的an=0,就可以建立三個(gè)方程,聯(lián)立求解得a1,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退所指定的低次諧波,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)算簡(jiǎn)單的缺點(diǎn).該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中.梯形波與三角波比較法[2]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,從而無(wú)視了直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種的方法--梯形波與三角波比較法.該方法是承受梯形波作為調(diào)制信號(hào),三角波為載波,且使兩PWM掌握.由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波重量幅值已超過(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57線電壓掌握PWM前面所介紹的各種PWM掌握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)展掌握的,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,提出了線電壓掌握PWM,主要有以下兩種方法.馬鞍形波與三角波比較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參加肯定比例的三次諧波,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的狀況下,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[4].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.這是由于,經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必定包含相應(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相互抵消,從而使線電壓仍為正弦波.單元脈寬調(diào)制法[5]由于,三相對(duì)稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0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°區(qū)間的兩種波形外形,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)踐說(shuō)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,線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了.這個(gè)脈沖并不是開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),但由于三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗和加寬線性掌握區(qū),同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)掌握的便利,但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī),應(yīng)用范圍較小.3PWM電流掌握PWM的根本思想是把期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響信號(hào),通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)打算各開(kāi)關(guān)器件的通斷,使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變.其實(shí)現(xiàn)方案主要有3滯環(huán)比較法[4]這是一種帶反響的PWM掌握方式,即每相電流反響回來(lái)與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器,得出相應(yīng)橋臂開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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)潔,動(dòng)態(tài)性能好,輸出電壓不含特定頻率的諧波重量.其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)峻的噪音,和其他方法相比,在同一開(kāi)關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多.三角波比較法[2]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)展比較,求出偏差電流,通過(guò)放大器放大后再和三角波進(jìn)展比較,產(chǎn)生PWM波.此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率肯定,因而抑制了滯環(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.推測(cè)電流掌握法[6]推測(cè)電流掌握是在每個(gè)調(diào)整周期開(kāi)頭時(shí),依據(jù)實(shí)際電流誤差,負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量,來(lái)推測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì),因此,下一個(gè)調(diào)整周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所推測(cè)的誤差.該方法的優(yōu)點(diǎn)是,假設(shè)給調(diào)整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)整器的局限性是響應(yīng)速度及過(guò)程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性.空間電壓矢量掌握PWM[7]空間電壓矢量掌握PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整體生成效果為前提,以靠近電機(jī)氣隙的抱負(fù)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去靠近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果打算逆變器的開(kāi)關(guān),形成PWM波形.此法從電動(dòng)機(jī)的角度動(dòng)身,把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體,以內(nèi)切多邊形靠近圓的方式進(jìn)展掌握,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通).具體方法又分為磁通開(kāi)環(huán)式和磁通閉環(huán)式.磁通開(kāi)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,假設(shè)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)式引入磁通反響,掌握磁通的大小和變化的速度.在比較估算磁通和給定磁通后,依據(jù)誤差打算產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量,形成PWM波形.這種方法抑制了磁通開(kāi)環(huán)法的缺乏,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)整,系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善.矢量掌握PWM[8]矢量掌握也稱磁場(chǎng)定向掌握,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Ia,Ib及Ic,通過(guò)三相/二相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的溝通電流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),然后仿照對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的掌握方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)溝通電動(dòng)機(jī)的掌握.其實(shí)質(zhì)是將溝通電動(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)重量進(jìn)展獨(dú)立掌握.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)重量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦掌握.但是,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),以及矢量變換的簡(jiǎn)單性,使得實(shí)際掌握效果往往難以到達(dá)理論分析的效果,這是矢量掌握技術(shù)在實(shí)踐上的缺乏.此外.它必需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)定子電流解耦掌握,在這種矢量掌握系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器,這明顯給很多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便.直接轉(zhuǎn)矩掌握PWM[8]1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩掌握理論(DirectTorqueControl簡(jiǎn)稱DTC).直接轉(zhuǎn)矩掌握與矢量掌握不同,它不是通過(guò)掌握電流,磁鏈等量來(lái)間接掌握轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)掌握,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掌握產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)展最正確掌握,從而在很大程度上解決了上述矢量掌握的缺乏,能便利地實(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)矩掌握精度,并以穎的掌握思想,簡(jiǎn)潔明白的系統(tǒng)構(gòu)造,優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了快速進(jìn)展.但直接轉(zhuǎn)矩掌握也存在缺點(diǎn),如逆變器開(kāi)關(guān)頻率的提高有限制.7PWM單周掌握法[7]又稱積分復(fù)位掌握(IntegrationResetControl,簡(jiǎn)稱IRC),是一種型非線性掌握技術(shù),其根本思想是掌握開(kāi)關(guān)占空比,在每個(gè)周期使開(kāi)關(guān)變量的平均值與掌握參考電壓相等或成肯定比例.該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和掌握的雙重性,通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān),積分器,觸發(fā)電路,比較器到達(dá)跟蹤指令信號(hào)的目的.單周掌握器由掌握器,比較器,積分器準(zhǔn)時(shí)鐘組成,其中掌握器可以是RS觸發(fā)器,其掌握原理如圖1所示.圖中K可以是任何物理開(kāi)關(guān),也可是其它可轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)變量形式的抽象信號(hào).單周掌握在掌握電路中不需要誤差綜合,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消退穩(wěn)態(tài),瞬態(tài)誤差