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1、PWM 控制技术课件55.1 概述lPWM（Pulse Width Modulation）：按照某种规律,对可控开关 器件门极驱动脉冲的宽度进行控制，以改变电力电子开关器件的 导通时间，实现对输出的有效调节。l冲量（面积）等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于 惯性系统时，只要他们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用 效果基本相同。（伏秒平衡，感性负载；安秒平衡，容性负载）图1 面积等效原理示意图lPWM调制的目的： 1）灵活方便地获得幅值、频率、相位不同的所需波形； 2）有效的谐波抑制； 3）动态响应好，效率高。lPWM调制的应用：应用于几乎所有的电力电子变 换，包括整流、逆变、直流变
2、换等，是目前最广泛使 用的波形调制技术。lPWM控制的分类： 1）单脉宽调制 2）等宽脉冲调制（直流斩波 、直流电机调速） 3）可变脉宽调制 （SPWM、SVPWM、 SHEPWM等）图2 PWM的分类5.2 SPWM lSPWM l 把逆变器的正弦输出分割成若 干个周期相同的部分； l 根据冲量等效原理，一个期望 的目标函数总可以由一列等幅 不等宽的脉冲来替代（生成） l 周期相同的、面积不相等的被 分割波形可以用等幅不等宽的 脉冲等效！只要使这些脉冲的 宽度按照正弦函数分布 l 改变脉冲的宽度就可改变正弦 波的幅值；改变调制周期就可 以改变正弦输出的频率l 图3 SPWM的原理5.3 SP
3、WM 控制方法l计算法：实时在线计算困难l调制法（三角波交点法）把希望输出的波形作为调制波， 等腰三角形作为载波，通过对载 波的调制得到希望输出的PWM波 形。 1）单极性调制：三角波载波在半个 周期内只在1个方向变化，所得 的PWM波形也只能在单极性范围 内变化。优点：电压电流波动小，开关器 件的电压、电流应力小缺点：生成困难 2）双极性调制：三角波载波在半个 周期内在正负2个方向变化，所 得的PWM波形也在2个方向变化 。缺点：电压电流波动较大，器件 电压、电流应力较大优点：生成容易l 图4 SPWM的生成 l单相单极性SPWM图4 单相单极性 SPWM 的生成 公用一个三角调制波 三相调
4、制信号分别调制三角 波得出各个桥臂的开关信号 uUN、 uVN和uWN的PWM波 形都只有Ud/2两种电平 输出线电压PWM波由Ud和0 三种电平构成 负载相电压的PWM波由 (2/3) Ud 、(1/3) Ud和0五种 电平组成 l三相双极性SPWM图5 三相双极性 SPWM 的生成 l 定义：M=Urm/Ucm为调制比m输出基波幅值和调制比m成正比 l 定义： Nfc/fr为载波比N输出波形的谐波含量和载波比成 反比。 l SPWM基波电压SPWM逆变器输出脉冲序列的 基波电压正是调制时所要求的等 效正弦波 u1mmud（单极性）u1m1/2mud（双极性） l 本质是一个线性放大器图6
5、SPWM 的等效图lSPWM的基波电压5.4 影响输出电压性能的主要因数1）调制比m的连续变化可以连续改变输出基波幅值；但在同一载 波比条件下，m越小谐波含量越大，调节的线性度变差。 2）载波比N越高，频谱中所含最低次谐波次数越高，谐波均在载 波频率整数倍附近分布（以整数倍载波频率为中心，其旁瓣频 谱对称分布）。所以载波比越高，最低次谐波离基波越远、越 易虑除，基波幅值的调节线性度越好。但载波比N越高则器件 开关损耗越大，对开关器件和设备的工艺要求越高。 3）单极性调制比双极性调制有更好的谐波抑制效果，但生成较 复杂。目前常用的是双极性调制。 4）调制方式：同步调制、异步调制、分段同步调制 5
6、）制约条件：死区最小脉宽和最大脉宽波形畸变5.5 SPWM逆变器仿真图7 SPWM 的仿真电路图单相SPWM（双极性）图8 SPWM 的仿真波形图（双极性，1kHz）单相SPWM（单极性）图8 SPWM 的仿真波形图（单极性，2kHz）三相SPWM（双极性）图9 SPWM 的仿真电路图（三相双极性）图10 SPWM 的调制波、载波，1、3、5脉冲（三相双极性，1kHz）图11 逆变器的输出线电压和负载相电压（三相双极性， 1kHz ）三相SPWM图12 SPWM 的仿真波形图（三相双极性， 1kHz ）负载相电流图13 SPWM 的仿真波形图（三相双极性， 1kHz ）5.6 PWM逆变器的谐
7、波分析l单相 nckr 式中，n=1,3,5, k=0,2,4,6,； n=2,4,6,时， k=1,3,5,最低次的主要谐波： c2r、4r图14 SPWM 的谐波分析l三相 n=1,3,5,时， k=3(2m-1)1, m=1,2, ； n=2,4,6,时， k=6m-1,m=0,1,2 k=6m+1,m=1,2, 最低次的主要谐波： c4r 、c2r c10r、 c8r nckr图15 SPWM 的谐波分析少了3的倍数次旁瓣谐波！5.7 异步调制和同步调制l异步调制载波和信号波不保持同步的调制方式称为异步调制 。保持载波频率fc固定不变，因而当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的 。在
8、信号波的半个周期内，PWM的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负 半周期的脉冲可能不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也可能不对称。 l同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步 调制。三相SPWM逆变电路中，通常公用一个三角载波，且取载波比N为3的整数 倍，以使三相输出波形严格对称，为了保证双极性调制时每相波形的正、 负半波对称，N应取奇数。 信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。 l分段同步调制将异步调制和同步调制结合起来，成为分段同步调制方式。在不同的频率段采用异步，在同一频段采用同步，结合了异步和同步的优 点。 l分段同步调制：把整个变频
9、范围划分成若干个频段，对 不同的频段取不同的N值（异步调制）；在每个频段内 都维持载波比N恒定（同步调制），以保持输出波形对 称的优点。 图16 分段同步调制示意图5.8 SPWM的实现方法lSPWM的模拟控制 特点：实现简单，灵活性差图16 SPWM的模拟实现，左单相、右三相lSPWM的数字化控制 1）等效面积法 2）自然采样法图17 SPWM的自然采样法实现 需要解超越方程，实 时计算极为困难！ ！3）规则采样法图18 SPWM的规则采样法实现 规则采样法的实质：以阶梯波代替调制波！载波频率（采样频率）较高时，误差很小，计算简化！图19 SPWM的规则采样法等效，上：单采样，下：双采样1次
10、5次7次11次 .4）特定谐波消去法（SHEPWM）图20 特定谐波消除法5）线电压调制（3次谐波叠加）和空间矢量SVPWM等效 6）梯形波调制图20 空间矢量调制、梯形波调制7）SPWM专用集成电路芯片l 微机实时产生的SPWM波，其效果受到单片机的速度、字长、 存储容量等的限制，同时还收到系统其他功能的限制。l 专用SPWM芯片成本低、速度快、使用方便如Mullard公司的HEF4752；Philips的MK2；Siemens的SLE4520等5.9 PWM逆变电路的多重化l使用场合：大容量、低开关 频率器件。l优点： 可以起到高开关频率的谐波 效果，如果每个逆变器的开 关频率为f0，则N
11、个逆变器 多重化后的等效开关频率为 Nf0，其最低次谐波在Nf0处 ，和开关频率为Nf0的逆变 器是等效的。 提高基波电压（N倍）l缺点：结构、控制复杂图21 PWM的多重化（2单元） 不同逆变单元的载波移相2/N 角度lPWM多重化的实现图22 PWM的多重化（2单元3电平）l PWM多重化仿真图23 PWM的多重化（2单元3电平）l 多重化谐波分析图23 PWM的多重化谐波分析（2单元3电平，1kHz）l 输出电压的基波和谐波图23 PWM的多重化的基波、谐波分析（2单元3电平）5.10 多电平逆变器（3电平）图24 多电平逆变器（3电平，二极管嵌位）5.11 逆变电路的其他控制方法lPW
12、M跟踪控制1）滞环比较法 2）定频bang-bang 比 较法 3）三角波比较法 4）空间矢量控制（ SVPWM）图25 滞环比较法5.12 空间矢量调制（SVPWM）l对于三相对称系统而言，三相电压/电流将产生在空间 以2*pi*f速度旋转的空间电压/电流矢量。l我们需要的三相对称电压/电流在空间上也是一个圆形 的旋转的空间矢量，电压的大小表现在圆的大小上（ 半径），频率的大小表现在旋转的快慢速度上。l逆变器的开关状态是有限的，对于三相3桥臂的2电平 逆变器，开关组合共有8种，在空间上组成一个正6变 形。l我们所需要的圆形旋转空间电压矢量可以由逆变器产 生的8个空间矢量来通过矢量合成的办法来产生。l 空间矢量表表5-1 逆变器的8种开关状态逆变器 状态SASBSC空间矢量4 100us16110us22010us33011us41001us55101us67111us70000us0l 空间矢量的生成Example：AC-DC-AC 变频图26 AC-DC-AC变频器图27 AC-DC-AC变频器仿真波形，a：直流电压，b：逆变器输出电压，c：负载电压，d：调制比m谢 谢 听 讲
