正弦脈寬調(diào)制SPWM及其控制方法

2.4正弦脈寬調(diào)制SPWM

及其控制方法

2.4.1PWM控制的基本原理2.4.2SPWM的控制（實(shí)現(xiàn)）方法■1可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。2可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理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)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)，因此，本章能使我們對逆變電路有完整地認(rèn)識。3可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理重要理論基礎(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，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2-15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)4可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理b)圖6-2沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理”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)。

5可編輯版Ouωt>SPWM波2.4.1PWM控制的基本原理Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>6可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理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。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>7可編輯版2.4.1PWM控制的基本原理OwtUd-Ud對于正弦波的負(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。8可編輯版2.4.2SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法計(jì)算法專用SPWM集成電路自然采樣法規(guī)則采樣法直接PWM法模擬實(shí)現(xiàn)9可編輯版1.SPWM模擬實(shí)現(xiàn)三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號、、由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生,其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號由三角波發(fā)生器提供，三相共用。分別與每相調(diào)制信號通過比較器進(jìn)行比較，比較器輸出“正”或“零”的輸出，即為SPWM脈沖序列波，作為逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號。10可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)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)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形特點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化1).自然采樣法自然采樣法：按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時刻控制功率開關(guān)器件的通斷。該法最準(zhǔn)確，但要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多11可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)2).規(guī)則采樣法特點(diǎn)：

工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多圖2-19規(guī)則采樣法12可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)規(guī)則采樣法原理圖2-19，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對稱，使計(jì)算大為簡化在三角波的負(fù)峰時刻對正弦信號波采樣得E點(diǎn)，過E作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時刻tA和B點(diǎn)時刻tB控制開關(guān)器件的通斷脈沖寬度t2

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近■13可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號波式中，ma稱為調(diào)制度，0≤ma<1；wc為信號波角頻率。從圖中得因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度■三角波的峰值為114可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)推廣到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、和，脈沖兩邊的間隙寬度分別為、和，、和，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由上式得

其中:■15可編輯版2.計(jì)算法(數(shù)字控制)3).直接PWM法(面積相等法)

思路:使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖的面積和在同一載波周期內(nèi)希望得到的正弦波的面積相等。假設(shè)希望輸出的正弦電壓為：則從到區(qū)間正弦波的面積為：若逆變器直流環(huán)節(jié)電壓為Ud，到區(qū)間的脈沖寬為，令脈沖面積和這段正弦波面積相等?？汕蟪觯?6可編輯版3.專用SPWM集成電路應(yīng)用微機(jī)產(chǎn)生SPWM波形，其效果受到微機(jī)字長、指令功能、運(yùn)算速度、存儲容量等條件的限制，有時難以有很好的實(shí)時性，特別是在高頻電力電子器件被廣泛應(yīng)用后，完全依靠軟件生成SPWM波形的方法實(shí)際上很難適應(yīng)高開關(guān)頻率的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用來產(chǎn)生SPWM控制信號的集成電路芯片，應(yīng)用這些芯片比用微機(jī)生成SPWM信號要方便的多。目前已投入市場的專用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我國自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752與HEF4752的功能完全兼容。另外，現(xiàn)在有些單片機(jī)本身就具有直接輸出SPWM信號的功能，如8XC196MC、TMS320F240等。17可編輯版HEF4752是數(shù)字化的大規(guī)模集成電路。采用標(biāo)準(zhǔn)的28腳雙列直插封裝。芯片可提供三組互差120°互補(bǔ)輸出SPWM控制脈沖，以供驅(qū)動逆變器六個功率開關(guān)器件產(chǎn)生對稱的三相輸出?？蛇m用于晶閘管、GTO或功率GTR。對晶閘管尚可附加產(chǎn)生三對互補(bǔ)換流脈沖，用于輔助晶閘管換流。該芯片采用脈沖寬度的雙邊緣正弦調(diào)制方式，有8段載波比（15、21、30、42、60、84、120、168）自動切換。調(diào)頻范圍為0~200Hz，器件的開關(guān)頻率一般在1kHz以下，不適合于IGBT逆變器。18可編輯版SLE4520是一種可編程的三相PWM集成電路。三相PWM信號形成器實(shí)際上就是三個定時器或計(jì)數(shù)器。SLE4520有三個預(yù)置減計(jì)數(shù)器通過8位數(shù)據(jù)總線接收來自微機(jī)的地址和脈寬數(shù)據(jù)，將8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)寬度的矩形脈沖，脈寬由減計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)值決定。六個輸出產(chǎn)生三相SPWM矩形脈沖，互差120°，以控制逆變器中的六個主開關(guān)器件。器件的開關(guān)頻率和輸出頻率分別可達(dá)20kHz和2.6kHz，適用于IGBT變頻器。芯片內(nèi)有一個四位死區(qū)鎖存器，可設(shè)置逆變橋同相上下兩開關(guān)器件轉(zhuǎn)換的死區(qū)時間，以防直通事故。還設(shè)有“禁止”信號端，當(dāng)其為高電平時，將使功率開關(guān)器件處于關(guān)斷狀態(tài)，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)。19可編輯版MA818也是一種可編程的三相SPWM大規(guī)模集成電路，采用雙列直插或方形塑封40引腳封裝，同一系列的芯片還有MA828和MA838。MA818具有六個標(biāo)準(zhǔn)TTL電平輸出，可方便的用來驅(qū)動逆變器中六個功率開關(guān)器件。其工作參數(shù)，如載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制深度、過調(diào)制選擇、最小脈沖寬度、延遲時間、相序等可由微機(jī)通過向其寫入控制字而方便的確定或修改，不需外加任何電路。MA818采用SPWM的規(guī)則采樣法產(chǎn)生實(shí)際的SPWM輸出脈沖。用于與三角載波比較的調(diào)制波形由MA818從外部2k×8的PROM/EPROM中直接讀取。MA818的三角載波頻率可選，最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4kHz。20可編輯版MITEL公司生產(chǎn)的SA系列SPWM發(fā)生器SA869·無需處理器，所有參數(shù)由工廠掩膜編程·4位數(shù)字輸入可確定16檔頻率（速度）·16位電源頻率精度·只能輸出純正弦波一種波形·適用于低成本、大批量的應(yīng)用·單相SPWM輸出SA828·與微處理器連接，處理整個SPWM過程·低成本、高職能、產(chǎn)生三相SPWM波·CMOS集成電路，波形產(chǎn)生數(shù)字化·輸出波形為正弦波或正弦波疊加三次諧波·載波頻率可達(dá)24KHz·電源頻率精度16位21可編輯版SA866/SA867·適用于低、中、大容量·工作中無需微處理器，SA866YE/867YE參數(shù)儲存在單獨(dú)EEPROM中，而SA866YM/867YM則由工廠掩膜編程·SA866輸出純正弦波、三次諧波或帶死區(qū)的三次諧波·通過10位的ADC輸入模擬信號，實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)頻或通過4位的數(shù)字輸入確定12位的速度（頻率）·專用工作模式適用于靜止逆變器·通過EEPROM可設(shè)置4項(xiàng)功能·SA866三相輸出，SA867單相輸出SA868·載波頻率（1~24KHz）·輸出正弦頻率范圍（0~4KHz）·輸出三相純正弦波、三次諧波或帶死區(qū)的三次諧波·4位的總線確定16檔速度（頻率）·無需外接處理器，所有參數(shù)由工廠掩膜編程·16位電源頻率精度·適用于低成本、大容量的應(yīng)用·三相SPWM輸出22可編輯版SA838·并聯(lián)微處理器接口，波形產(chǎn)生數(shù)字化·載波頻率可達(dá)24KHz·電源頻率精度12位·單相波形產(chǎn)生器，可輸出正弦波或正弦波疊加諧波·CMOS集成電路，功耗低·單相SPWM輸出SA4828·與微處理器連接（SA828升級），有高級界面·內(nèi)部可編程“看門狗”·具有正弦型、增強(qiáng)型、高效型三種波形·載波頻率可達(dá)24KHz·電源頻率精度16位·三相幅值獨(dú)立控制·也可應(yīng)用于兩相中23可編輯版返回

24可編輯版圖2-18自然和規(guī)則采樣法

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自然采樣法:規(guī)則采樣法:25可編輯版圖：直接PWM法返回

特點(diǎn)：計(jì)算方法簡單，物理概念清楚。諧波比規(guī)則采樣法好。26可編輯版SPWM原理:正弦PWM的信號波為正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形產(chǎn)生的方法有很多種，但較典型的主要有:對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和平均對稱規(guī)則采樣法三種。第一種方法由于生成的PWM脈寬偏小，所以變頻器的輸出電壓達(dá)不到直流側(cè)電壓的倍;第二種方法在一個載波周期里要采樣兩次正弦波，顯然輸出電壓高于前者，但對于微處理器來說，增加了數(shù)據(jù)處理量當(dāng)載波頻率較高時，對微機(jī)的要求較高;第三種方法應(yīng)用最為廣泛的，它兼顧了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。SPWM雖然可以得到三相正弦電壓，但直流側(cè)的電壓利用率較低，最大是直流側(cè)電壓的倍，這是此方法的最大的缺點(diǎn)。SVPWM原理:電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發(fā)點(diǎn)與SPWM不同，SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā)，其著眼點(diǎn)是如何生成一個可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對稱正弦電源。而SVPWM是將逆變器和電動機(jī)看成一個整體，用八個基本電壓矢量合成期望的電壓矢量，建立逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)，并依據(jù)電機(jī)磁鏈和電壓的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)恒磁通變壓變