三相交流电机SPWM变频调速系统设计及研究硕士论文.pdf

分类号 tm92 密级 udc 学 位 论 文 三相交流电机三相交流电机 spwmspwm 变频调速系统变频调速系统 设计及研究设计及研究 彭彭 军军 指导教师姓名 王丛岭王丛岭 副副教授教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 申请学位级别 硕士硕士 专业名称 机械电子工程机械电子工程 论文提交日期 2005.22005.2 论文答辩日期 2005.32005.3 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2005 年 2 月 21 日 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。 据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 彭 军 日期： 2005 年 3 月 3 日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 彭 军 导师签名： 王丛岭 日期：2005 年 3 月 4 日 电子科技大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 本文设计了一种基于微机生成 spwm 波形的开环变频调速系统。 本论文首先简要阐述了变频调速的基础技术，如变频调速下电动机的机械 特性、spwm 控制方法的理论依据及微机实现等。接着介绍了设计变频调速系 统所牵涉到的系统软硬件，并对整个系统的主电路、各种保护电路、控制电路 及实现控制的软件都进行了系统的分析。 主电路部分给出了整流、滤波、逆变器、igbt 驱动电路的外围器件各个环 节的参数的计算。设计时强调了系统工作的安全性，给出了具体的系统保护电 路，介绍了其工作原理，并给出了比较重要的参数。控制电路以微机作为实现 spwm 算法的运算核心，强调微机电机控制的实时性，及人机交互。 本文同时还探讨了设计数字化系统所必须注意的电磁兼容性要求，给出了 系统的软件、硬件、保护电路和软件抗干扰的设计方法。实验结果表明，这些 设计使系统能够可靠工作，运行状态良好，达到了设计目的。 关键词关键词：变压变频， 正弦波脉宽调制， 电压型逆变器， 驱动电路 电子科技大学硕士学位论文 ii abstract an open-loop virable frequency virable speed (vvvf) controlling system is designed in this paper. basic techniques of vvvf are introduced, such as mechanical characteristics of motor under vvvf control, fundamental theories which sinusoidal pulse-width modulation (spwm) control algorithm are based on, and macro computer unit (mcu) realization of spwn, etc. software and hardware used in this design are specified, as well as the resulting design of main circuit, protecting circuit and control circuit for the system. parameter calculations of rectification, filter, inverter, driving circuits of insulated-gate bipolar transistor (igbt), and peripheral circuits are discussed in the design of main circuit. efforts are made to increase system safety, such as designing of a protecting circuit. design theory and important parameters of the protecting circuit are described. in the control circuit, microcomputer is used for realizing spwm algorithm. this controller is chosen to provide real time control and a machine-human interface. electromagnetism compatibility (emc) of digital system is also discussed in this paper. a design method of hardware and software, protection circuit and crosstalk reduction is proposed. a reliable system is developed and verified. key words: vvvf, spwm, voltage inverter, drive circuit 电子科技大学硕士学位论文 iii 目录目录 第一章 引言 . 1 1.1 电力半导体及交流变频调速技术发展概述 . 1 1.2 交流变频调速的机械特性 . 2 1.3 交流变频调速国内外现状 . 4 1.4 变频调速技术未来的发展方向 . 6 1.5 本课题的研究内容及意义 . 7 1.5.1 课题研究的目标及意义 . 7 1.5.2 课题研究的主要内容 . 7 第二章 spwm 变频调速技术 . 8 2.1 spwm 逆变器的工作原理 . 8 2.1.1 pwm 逆变器工作原理 . 8 2.1.2 spwm 逆变器的工作原理 . 9 2.2 spwm 逆变器的调制 . 10 2.2.1 spwm 逆变器的调制方式 . 10 2.2.2 载波比与输出谐波分量的关系 . 11 2.3 spwm 的控制模式及其实现 . 11 2.4 spwm 技术的发展 . 13 第三章 spwm 变频调速系统的硬件设计 . 17 3.1 引言 . 17 3.2 主电路的设计 . 17 3.2.1 主回路电路参数的计算 . 18 3.2.2 igbt 驱动电路的设计 . 19 3.3 保护电路的设计 . 23 3.3.1 泵升回路的设计 . 24 3.3.2 过压及欠压保护电路的设计 . 25 3.3.3 过流保护电路的设计 . 26 3.3.4 限流启动电路的设计 . 26 3.4 控制电路的设计 . 27 电子科技大学硕士学位论文 iv 3.4.1 键盘 . 27 3.4.2 显示 . 29 3.4.3 i/o 口的扩展 . 31 3.4.4 spwm 输出电路 . 36 第四章 spwm 变频调速系统的软件设计 . 40 4.1 软硬件接口 . 40 4.2 微机实现 spwm 控制时的量化 . 42 4.3 系统软件设计流程图 . 44 4.3.1 主程序流程图及其功能实现 . 44 4.3.2 芯片初始化 . 44 4.3.3 外部中断服务程序 . 47 第五章 关于抗干扰和电磁兼容问题的解决 . 49 5.1 电磁干扰（emi）分析 . 49 5.1.1 电磁干扰的途径 . 49 5.1.2 数字变频调速系统电磁干扰问题 . 50 5.2 电磁兼容性（emc） . 51 5.2.1 硬件抗干扰技术 . 51 5.2.2 软件抗干扰技术 . 54 第六章 结束语 . 56 参 考 文 献 . 57 致 谢 . 59 附录 驱动板电路原理图 . 60 电子科技大学硕士学位论文 1 第一章第一章 引言引言 交流变压变频技术自 20 世纪六七十年代获得突破性进展以来，一直受到高 度重视，人们不断发明控制性能更佳的新控制方法。随着电力半导体器件的发 展，交流电动机的速度控制产生了一场深刻的革命，而各种高性能微处理器的 应用，更促使这场革命迅速步入全数字化进程，以各种电力半导体器件构成的 变频器驱动交流电动机的调速系统正在取代包括直流电动机调速系统在内的各 种调速系统。变频调速以其调速精度高、速度控制范围广、响应速度快、保护 功能完善，过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点，已经广泛的用于电 力、运输、制造等国民经济领域。 1.1 1.1 电力半导体及交流变频调速技术发展概述电力半导体及交流变频调速技术发展概述 电力半导体的革命开始于 1956 年贝尔实验室发明的晶闸管，由晶闸管构成 的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频 调速，然而晶闸管属于半控型器件，门极可以控制导通，但不能控制关断，因 此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。 70 年代以后，功率晶体管（gtr） 、门极关断晶闸管(gto)、功率 mos 场 效应晶体管（power mosfet） 、绝缘门极双极型晶体管（igbt） 、mos 控制 晶闸管（mct）等先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关 断器件，故称为全控器件。它不在需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、 结构紧凑。igbt 由于兼有 mosfet 输入阻抗高、驱动功率小和 bjt 导通压降 低的双重优点，使之成为了现代电力电子的主导器件。与 igbt 相对应，mct 和集成门极换流晶闸管（igct）都是 mosfet 和 gto 的复合，综合了晶闸管 的高电压、 大电流特性和 mosfet 的快速关断特性， 是极有发展前景的大功率、 高频功率开关器件。 现在，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。80 年代以后出现的功率集成电路（power icpic）,集功率开关器件、驱动电路、 保护电路、接口电路于一体，目前已广泛用于交流调速的智能功率模块 （intelligent power module-ipm）采用 igbt 作为功率开关，含有电流传感器、 驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、 电子科技大学硕士学位论文 2 自我保护等多种智能功能，即减少了体积和重量，又提高了可靠性，使用和维 护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。 电力半导体的发展是交流变频调速技术发展的物质基础。 20 世纪 60 年代以 后，电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气产品的 开发创造了有利的条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、 快速动态相应及四象限运行等良好的技术性能。现代电机控制理论的发展，一 方面不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用要求，另一方面有要求提高性能、 降低损耗、减少成本。微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的 完善、仿真工具的日渐成熟，使交流变频调速获得了比直流调速更为广阔的应 用空间。现代电气传动领域已经步入交流调速取代直流调速的时代。 1.2 1.2 交流变频调速的机械特性交流变频调速的机械特性 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通 m 为额定值不变。 磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心 饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热损害电机。三相异步电 动机每相电压 11111 4.44 wm uefwk （11） 式中 1 f定子频率， 1 w定子每相绕组串联匝数， 1w k基波绕组系数。由 式（11） ，只要控制好 1 e和 1 f，便可达到控制磁通 m 的目的，对此考虑基频 （额定频率）以下和基频以上两种情况。 1） 基频以下调速： （1）保持 1 e/ 1 f=常数在这种变频调速过程中，电动机的电磁转矩 2 2 12 2 111 2 1 2211 2 () 1 () 2 ()2 60 m r m i pm pfe s t n rs xf sr （12） 式（12）是保持气隙每极磁通为常数变频调速时的机械特性方程式，根据 这个方程可以分析一下最大转矩 m t及相应的转差率 m s。可以求出 2 2 m r s x （13） 电子科技大学硕士学位论文 3 22 111111 12212 11 ()() 22 22 m m pfem p ef t fxxfl 常数 （14） 式中 2 l 为转子静止式转子一相绕组漏电感系数折合值， 2 x 2 2 l。 从式（14）可以看出，当改变频率 1 f时，若保持 1 e/ 1 f=常数，最大转矩 m t 常数，与频率无关，并且最大转矩对应的转速降落相等，也就是不同频率的 各条机械特性是平行的，硬度相同。这种调速方法与他励直流电动机降低电源 电压调速相似，机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围广，而且稳 定性和平滑性好，效率较高。 在这种调速方式下，转子电流 2 i 为常数，为恒转矩调速方式。 （2）保持 11 /uf常数 当降低电源频率 1 f时，保持 11 /uf常数，则气隙每极磁通 m 常数，这时 电动机的电磁转矩为 2 22 2 111 11 2 2 12 22 2 112 1112 2 ()2() rr m puf m p u ss t f rr rxxfrxx ss （15） 则最大转矩 m t为 2 2 11111 22 22 1 1112 11112 11 22 2 ()2() m m pum p uf t f rrxxfrrxx （16） 22 22 12 112 1 () m rr s xxf rxx （17） 由上式可以看出，保持 11 /uf常数，当 1 f减少时，最大转矩 m t不等于常数。 已知 12 ()x x 与 1 f成正比变化， 1 r与 1 f无关。因此，在 1 f接近额定功率时， 1 r 12 ()x x ，随着 1 f的减少， m t减少得不多，但是，当 1 f较低时， 12 ()x x 比 较小， 1 r相对变大了。这样一来，随着 1 f的降低， m t就减少了。 显然，保持 11 /uf常数时的机械特性不如保持 1 e/ 1 f=常数时的机械特性， 特别时在低频低速的机械特性变坏了。持 11 /uf常数降低频率调速近似为恒转 矩调速。 2） 基频以上调速： 电子科技大学硕士学位论文 4 升高电源电压是不允许的， 因此升高频率向上调速时， 只能是保持电压为 n u 不变，频率越高，磁通 m 越低，这是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流 电动机弱磁升速情况。保持 n u不变升高频率时，电动机电磁转矩 2 2 11 2 2 2 1112 2() r m pu s t r frxx s （18） 由于 1 f较高，1r比 1 x、 2 x 及 2 r s 都小多了， 故最大转矩 m t和此时的转差率 m s分 别为 22 1111 2 22 1121 11112 111 22 2() 2() m m pum pu t f xxf frrxx （19） 22 22 121 112 1 () m rr s xxf rxx （110） 因此，频率越高时， m t越小， m s也越小，而最大转矩对应的转速降落为 21 1 112 60 2() mm rf ns n f llp 常数 （111） 由以上的推导可知，升高电源频率的机械特性，其运行断近似平行，有比较 的硬度，但是随着频率的升高，最大转矩降低，说明其负载能力降低。该方法 为恒功率调速。 1.3 1.3 交流变频调速国内外现状交流变频调速国内外现状 1） 国外现状 电力电子器件技术的不断发展，使得耐高压、大电流的新型电力电子器件 已经应用玉电气传动系统。世界各大电气公司将研究的重点放在中、高压大功 率变频调速上，高压大功率变频器因其在电磁兼容、电磁辐射、串联技术等方 面问题有很大的技术难度，成为各大电气公司竞争的热点。 在大功率交交变频调速技术方面， 法国阿尔斯通以能提供单机容量达 3 万 电子科技大学硕士学位论文 5 kw 的电气传动设备用于船舶推进系统。 在大功率无换向器电机变频调速技术方 面，意大利 abb 公司提供了单机容量为 6 万 kw 的设备用于抽水蓄能电站。在 中功率变频调速技术方面，德国西门子公司 sinowert a 电流型晶闸管变频调速 设备单机容量为102600 kva和sinowert p gto pwm 变频调速设备单机容量 为 100900kva，其控制系统已全面数字化。 国外变频交流调速技术高速发展有以下特点： 市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频 器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以 及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。 功率器件的发展。今年来高电压、大电流的 scr、gto、igbt、igct 等器 件的生产已经并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的 生产及应用成为现实。 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制、 自适应、神经网络等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；32 位高性能微处理器及信号处理器和专用集成电路（asic）的快速发展，为 实现变频调速传动设备高精度、多功能提供了硬件手段。 基础工业和各种制造业的告速发展， 变频调速传动设备相关配套件实现了社 会化、专业化生产。 2） 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距 510 年。在大 功率交交变频、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能 力制造，但在数字化及系统的可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品 在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井 卷杨方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内学者作了大量的变频理 论的基础研究，早在 80 年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机的多 变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交 流电机变频调速的策略控制。进入 90 年代，随着高性能单片机和数字信号处理 器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高 次谐波注入 spwm 和空间矢量控制（svpwm）等方法，控制算法采用模糊控 制、神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无 速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量的基础研究。 电子科技大学硕士学位论文 6 随着大功率变频器的推广应用， 越来越多的企业在新的建设项目和技改项目 中，开始考虑 3kv 电压等级以上的电机变频调速问题，市场开始升温。在刚刚 起步的高压变频器领域，技术方案包括了高低高、高低、高中、多电平 h 桥主回路、三电平主回路和直接串联电流源型等多个技术流派。但总的来讲， 高压变频调速市场目前在我国仍处于初级阶段，市场容量较小，但是高压变频 技术因其特有的自身功耗小的优势，还是吸引了包括国外许多企业不断加大研 发和生产力度。 1.4 1.4 变频调速技术未来的发展方向变频调速技术未来的发展方向 交流变频调速技术是强弱电配合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大的 电能转换（整流，逆变） ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技 术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和 新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略 和智能控制策略的硬、软件开发问题。 其主要发展方向有如下几项： 1） 各种控制理论和策略的基础研究。 基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制（foc） 、磁场控制、直接 转矩控制(dsr)和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技 术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在 某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制 思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、 自诊断技术等。 2） 开发清洁电能的变流器。 所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因素为 1， 网测和负载测有尽可能低 的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。 3） 模块化的设计，尽量缩小装置的尺寸。 紧凑型变流器要求功率和控制元件具有搞得集成度，其中包括智能化的功 率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源等。 4） 实现远程网络监控和管理。 随着网络通讯技术的发展和现场总线技术的发展，变频调速技术也能实现 电子科技大学硕士学位论文 7 远程监控、故障诊断、故障恢复等。 1.5 1.5 本课题本课题的研究内容及意义的研究内容及意义 1.5.11.5.1 课题研究的目标及意义课题研究的目标及意义 本文从节能的角度出发，开发研究与风机、泵类负载相适应的配套变频器 调速装置，该变频调速装置市场是非常广阔的，并且与我国的经济与能源现状 相适应。基于这种目标，本文利用微处理器开发基于 spwm 原理的开环变频调 速系统。 同时，电气传动或拖动控制系统是一门理论性很强的课程，本课题提供了 一个将理论联系实际的很好的实践平台，可以将电力电子技术、电力电子器件 的使用、电气传动控制技术和微机控制技术很好的结合起来。 1.5.2 1.5.2 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 1） 通过调研查找大量与本课题有关的资料，比较各种 spwm 波形产生的 机制，进行细致的消化，探讨设计一种实用性、实时性、可操作性比较强的基 于 spwm 理论的变频调速控制系统。 2） 在消化吸收的基础上，提出了开环、多调制方式、低频电压补偿的控 制策略。 3） 根据给定的电机，选择合适的电力电子器件和其它元器件。充分考虑 系统的安全性，设计合适的保护电路，提高系统运行的稳定性和安全性。 4） 考虑合理的控制电路，突出变频调速系统的实时性要求，采用结构化 的软件设计方法，设计控制程序。 电子科技大学硕士学位论文 8 第二章第二章 spwm 变频调速技术变频调速技术 在交直交变频器交流调速系统中，为了简化主电路的功率环节，加快系 统的动态相应，减少高次谐波电流，减少电机转矩脉动，人们把整流环节从可 控环节改为不可控环节。为了实现电压频率协调控制，人们把研究重点放在逆 变环节，并提出了许多新的设想。1964 年，德国的 a.sch nung 等率先提出了脉 宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这 种技术构成的 pwm 变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器存在的问题， 为 近代交流调速系统开辟了新的发展领域。 2.1 spwm2.1 spwm 逆变器的工作原理逆变器的工作原理 2.1.12.1.1 pwmpwm 逆变逆变器工作原理器工作原理 在交直交变频装置中（如图 21） ，整流器是不可控的，它的输出电压 经电容滤波（附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器的输 入端。控制逆变器中的功率开关器件通断，其输出端即获得一系列宽度不等的 矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称为脉 宽调制方法。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅 值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行输出 电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求，这就是 pwm 逆变器的工作原理。 ur ui mot or 交 流 输 入 图 21 交直交变频装置原理图 电子科技大学硕士学位论文 9 2.1.2 2.1.2 spwmspwm 逆变器的工作原理逆变器的工作原理 名为 spwm 逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形，那么，可以 把一个正弦半波分成 n 等分，如图 22，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所 包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与 正弦波每一等分的中点重合。这样，由 n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的 波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 图 22 与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 a) 正弦波 b) 等效的 spwm 波形 脉冲波形的宽度可以通过一系列算法得到，作为控制逆变器中个开关器件 通断的依据。人们引入通讯技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为 调制波，而受它调制的信号称为载波。spwm 变频系统的主电路将在下一章介 绍，它的工作原理是：由单片机产生的三相 spwm 控制脉冲，经驱动放大电路 放大后，控制主开关 t1t6 的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相 交流电压拖动异步电动机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的 输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的 vvvf 控制。 1） pwm 的控制方式 spwm 有两种控制方式，可以是单极式，也可以双极式。两种控制方式调 制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值 和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。采用单极式控制时在 正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，双极式控制时逆变器 同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。 2） 逆变器输出电压与脉宽的关系 在变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转。对电机来说有 to u a) b) 图6-3 o u t 电子科技大学硕士学位论文 10 用的只有基波电压，通过对 spwm 输出波形的傅立叶分析可知，输出基波电压 的幅值与各项脉宽有正比的关系，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲 的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。 3） 脉宽调制的制约条件 将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调 制度的制约。 逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数 （即 逆变器每个开关器件的每秒动作次数） 。 同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须时所调制的脉冲波有个最小 脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。 定义调制度 rm cm u m u （21） （21）式中 rm u和 cm u分别为正弦调制波参考信号与三角载波的峰值，m 在 01 之间变化，并且总小于 1。 2.2 spwm2.2 spwm 逆变器的调制逆变器的调制 定义载波的频率 c f与调制波频率 r f之比为载波比 n,即 n c f/ r f。视载波比 的变化与否有同步调制与异步调制之分。 2.2.1 spwm2.2.1 spwm 逆变器的调制方式逆变器的调制方式 定义三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化的调制方式为同步调 制。在这种调制方式下，载波比为常数，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数 是固定不变的。定义三角载波的频率与正弦调制波的频率不同步变化的调制方 式为异步调制。在异步调制中，在逆变器的整个变频范围内，载波比不为常数。 同步调制和异步调制各有其优缺点，为了扬长避短，可将两种调制方式结 合起来，成为分段同步调制方式。在一定频率范围内，采用同步调制，保持输 出波形对称的优点。当频率降低较多是，使载波比分段有级地增加，又采纳了 异步调制地长处，减少负载电机地转矩脉动与噪声。 载波比值的选定与逆变器的输出频率、功率开关器件的允许工作频率以及 电子科技大学硕士学位论文 11 所用的控制手段都有关系。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增 大载波比，但若从逆变器本身看，载波比不能太大，应受到下述关系式的限制， 即 n 逆变器功率开关器件的允许开关频率 频段内最高的正弦参考信号频率 （22） 2.2.2 2.2.2 载波比与输出谐波分量的关系载波比与输出谐波分量的关系 三角调制波与正弦控制波的交点所确定的一组开关角决定了逆变器输出波 形的频谱分布。载波比 n 对逆变器输出波形的频谱分布有很大的影响。逆变器 输出的谐波分量主要集中在频率调制比 n 及其倍频 2n、 3n的周围， 在中心频 率附近的谐波振幅极大值随其中心频率增大而减小，其中以 n 处的谐波振幅为 最大，根据分析，谐波的频率可以表示为 1n fjnk f n，k，j1，2，3 （23） 谐波次数h对应于载波比的j倍的第k次边频带，即 hjnk （24） 在此，基频对应于h1。当k取偶数时，j取奇数；当k取奇数时，j取偶数， 这样当 n 为偶数时，在输出频谱中奇、偶次谐波同时存在；当 n 为奇数时，在 输出频谱中仅存在奇次谐波。对于三相感应电机来说，为了消除基波的 3 整数 倍谐波，n 应为 3 的倍数。同时通过对输出电压的傅氏系数的仿真分析可知，当 载波比大于 10 时，谐波的振幅几乎与 n 无关。 2.3 2.3 spwmspwm 的控制模式及其的控制模式及其实现实现 spwm 的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开 关期间的开关时刻，可以用模拟、数字电子电路或专用的大规模集成电路芯片 等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成 spwm 波形。后者由于所用元 件少，控制线路简单，控制精度高而日益被人们采纳。 根据 spwm 逆变器的工作原理，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波 相交两次， 相应的逆变器功率器件导通与关断一次。 要准确地生成 spwm 波形， 就得尽量精确地计算功率器件的导通时刻和关断时刻。根据采样时刻的选择方 式不同，可以分为自然采样法、规则采样法和等面积采样法。 1） 自然采样法 电子科技大学硕士学位论文 12 按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间（功率器件关断区间） 的采样，从而生成 spwm 波形，叫做自然采样法。自然采样法能准确地生成 spwm 正弦波脉宽调制波形。但是由于求解脉冲宽度时，需要解超越方程，求 解费时较长，实时性差，工程应用中常采用规则采样法。 2）规则采样法 为简化计算量，将脉冲中点与三角波中点重合，即使每个脉冲关于三角波 峰点左右对称，这样会使计算工作量大为减少。规则采样可以对三角波正峰值 和负峰值时刻采样，对正峰值采样，脉冲宽度明显偏小控制误差大，因而人们 普遍采用负峰值采样。如图 23，在三角波负峰值时刻 d t对正弦波采样，以该 时刻的采样值过 d 点做一水平线，水平线与三角波的交点分别为 a 和 b，对应 的时刻分别为 a t和 b t，在 a t、 b t时刻控制功率开关器件的通断，可以得到这种 规则调制下的脉冲。这种调制得到的脉冲同自然采样法得到的脉冲宽度非常接 近，时间上略有差异。 图 23 生成 spwm 波形的规则采样法 由图 23，可得到下列关系式 2 sin c d th hhmt （25） 在（25）式中 c t为三角载波的周期，h为三角载波的幅值。由此可以求出脉冲 宽度 1sin() 2 c d t mt （26） 图6-12 uc u o t ur tc ad b ot uo tatdtb 2 2 电子科技大学硕士学位论文 13 可以看出负峰值时刻即采样点时刻 d t只与载波比 n 有关，而与调制比 m 无关。 在图 23 中， dc tkt k=0，1，2 ，n-1。则2 / c nt，从而（26） 式可具体化为 2 1sin() 2 c t mk n （27） 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度 12 ()1sin() 24 c c t tmk n （28） 对于三相桥式逆变电路，应该形成三相 spwm 波形，通常三角载波是三相 公用的，三相正弦调制波依次相差120。设在同一三角波周期内三相的脉冲宽 度分别为 a 、 b 、 c ，其间隙宽度分别为 a 、 b 、 c ，由于在同一时刻三相正 弦调制波电压之和为零，故由（27）式有 3 2 abcc t （29） 同理，由（28）式有 3 4 abcc t （210） 这样， 在实际变频装置开发中， 可以利用微机计算出 a 相波形所需的数据 a 和 a ，在编制控制程序式采用移相的方法就可以得到所有的三相 spwm 波形数 据。 2.4 2.4 spwmspwm 技术的发展技术的发展 近几年，人们对 spwm 逆变器的控制模式研究有很多，提出了许多方法下 面介绍几种比较实用的 spwm 技术。 1） 指定谐波消除法 在指定谐波消除法中，逆变器的输出电压仍是一组等幅不等宽的脉冲波， 而且是半个周期对称的。但它们并非是由三角载波与正弦调制波的交点形成， 而是从消除某些指定次数的谐波出发，通过计算，来确定各个脉冲的开关时刻。 以图 24 所示的简单电压波形为例，说明指定谐波消除法的的原