第6章-脉冲宽度调制技术概要.ppt

第六章脉冲宽度调整技术,6.1概述6.2正弦PWM6.3空间矢量脉宽调制6.4跟踪型PWM6.5减小谐波的措施,6.1概述,PWM（PulseWidthModulation）控制就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（包括形状和幅值）。PWM控制的功能-将信息电路计算出来的输出参考信号转换成对应的控制信号，来控制电力电子器件的导通与断开，从而得到期望的输出信号。PWM控制技术的优点：控制简单、灵活、动态响应好。PWM应用范围：交、直流载波电力、整流电路、逆变电路。,6.2正弦PWM,6.2.1SPWM原理6.2.2SPWM波形的生成方法6.2.3SPWM波形的软件生成方法6.2.4SPWM波形的电子电路生成方法6.2.5SPWM波形的谐波分析6.2.6SPWM模式优化技术,6.2.1SPWM原理,面积等效原理-PWM控制技术的重要理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其输出效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,SPWM波形把正弦半波分成n等份得到由n个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，这些脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的方波脉冲代替，使方波脉冲的中点和相应正弦脉冲波的中点重合，且使两者相对于时间轴面积相等，就得到脉冲序列。这就是PWM波，这些PWM脉冲幅值相等，而宽度按照正弦规律变化。根据面积等效原理，PWM波和正弦半波对惯性负载是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。,要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。被调制的信号可以是任意形状的波形，它们的实现原理与SPWM相同，即面积等效原理。,6.2.2SPWM的生成方法,1.直接计算法直接计算法是指通过计算每个控制周期内调制波与时间轴之间的垂直面积，按面积等效原理计算出对应控制周期内PWM脉冲（幅度一般都可事先得到）的宽度。缺点：当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位动态变化时，或需要输出的波形不能事先确定，只能实时计算得到时，就需要实时计算每个控制周期PWM波的宽度和动作时刻，这时直接计算法相当繁琐。优点：可以做到精确计算。,2.载波调制法载波调制法是把希望输出的波形作为调制信号，与载波进行比较，从而得到期望的PWM波形。载波通常采用等腰三角波或锯齿波的形式。腰线上任一点的水平宽度与高度成线性关系。在调制波与载波的交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。载波调制法是一种近似方法。载波调制法的优点是计算简单，即使是需要输出的波形比较复杂，也仅需要根据调制波与载波的相交点在三角形中的高度求出相应的宽度即可。,2.载波调制法-单相桥式PWM逆变电路,单极PWM控制方式原理,正弦波负半周,2.载波调制法-单相桥式PWM逆变电路,2.载波调制法-三相桥式PWM逆变电路当UrUUc时，VT1导通，VT4关断uuN=Ud/2。当UrUUc时，VT4导通,VT1关断uuN=-Ud/2。VT1和VT4的驱动信号互补。给VT1和（VT4）加驱动信号时，可能是VT1（VT4)导通，也可能是VD1（VD4）续流导通。uUN=uUN-（uUN+uVN+uWN）/2可见负载相电压的PWM波有（2/3）Ud,（1/3）Ud和0一共5种电平。,载波频率与调制信号频率之比，称为载波比。可分为同步调制和异步调制。（1）同步调制：载波比N不变，即一个信号周期内含有固定数目的载波周期，当调制信号频率变化时，需调整载波频率，使载波与调制信号始终保持同步。优点：在输出信号频率变化的范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。缺点：当调制信号的频率很低时，每个信号周期内的PWM脉冲数过少，低次谐波分量较大。如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声。,实际应用中多采用分段同步调制方式，即在低频运行时，使载波比有级地增大，在有级地改变一个信号周期内PWM脉冲数目的同时，仍保持其半波和三相的对称关系。,（2）异步调制：采用固定不变的载波频率，即载波信号不随调制参考信号做同步变化。优点：是当参考信号频率较低时，载波比较高，低频输出特性好，当负载为电动机时，低频转矩脉动和噪声小。缺点：当调制信号频率变化时，难以保证载波比为整数，特别是能被3整除的数，因而不能保证正负半周期脉冲的对称性、半周期内1/4周期脉冲的对称性，以及三相之间的对称性，易产生次谐波。实际应用时，异步调制不如分段同步调制方式应用得广泛。,（1）自然采样法在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种方法称为自然采样法。,正弦调制信号波a称为调制度，0a1；为信号波角频率。,解得：ta和tb,由于求解超越方程的困难性，自然采样法往往有模拟电路实现。实际应用少。,6.2.3SPWM波形的软件生成方法,规则采样法锯齿波:锯齿波的垂直边和正弦调制波的交点时刻是确定的，所需计算的只是锯齿波斜边和正弦调制波的交点时刻，计算量明显减少。由于锯齿波是非对称的波形，其输出波形中含有偶次谐波，总的谐波含量也比等腰三角载波大。等腰三角波:在三角载波的负峰值点对调制波进行采样得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B两点，在tA和tB时刻控制电力电子开关的通断。这样，每个PWM脉冲都以相应的三角波中点为左右对称。,规则采样法-自然采样法在三角波一周期内，脉冲两边得间隙宽度为：说明：（1）自然采样法和规则采样法，都属于近似计算方法，控制周期越短，逼近效果越好。自然采样法采用自然相交点，规则采样法采用近似交点，所以自然采样法的近似效果比规则采样法更为精确。（2）在软件计算SPWM波形时，为计算的方便，常规定三角波相邻两个正峰值或两个负峰值之间为一个周期。,采样时刻在三角波波峰的规则采样法：若将采样时刻确定在三角载波的波峰时刻，通过采样点D向后延伸作一水平直线，分别与三角载波交于E、F两点，tE和tF和时刻即为SPWM脉冲的跳变时刻。由于和时刻均在采样时刻之后，因此可以采用实时控制方法，而不需要采用预测计算。,6.2.4SPWM电子电路生成方法,（1）纯粹由模拟电路元件生成。首先由模拟电路构成三角波和正弦波发生器，分别产生三角载波信号和正弦波调制参考信号，然后送入电压比较器。模拟电路生成法的优点是完成三角载波和调制波的比较、输出SPWM波形几乎是瞬间完成的，延时非常微小；模拟电路生成法的缺点是所需的分立元件较多，可靠性降低，不便于调试和修改控制参数，很不灵活，而且系统受温漂和时漂的影响大，造成误差，难以实现优化PWM控制的。（2）采用单片机和可编程定时器，通过实时计算或查表方法产生所需的PWM波。（3）采用模拟电路和数字电路混合的方法，充分利用数字电路的灵活性，又充分利用了模拟电路延时小的优点，从而实现性能优良的PWM控制。,（4）PWM也可采用基于EPROM存储器的方法实现。这种方法的优点是它可以做成独立运行的模块，可有效地节省微机资源。（5）采用PWM专用集成电路。目前已出现了多种PWM专用集成芯片（ASIC）。如Intel公司的MCS-80C196和87C196系列、AD公司的ADMC331、MOTOROLA公司的68HC908MR16等可输出6路独立的PWM波形，TI公司的TMS320F2X等可输出12路PWM波形。,6.2.5SPWM波形的谐波分析,SPWM输出波uo可表示为其中设正弦调制波ur、uc表达式为SPWM波中的谐波成份与载波角频率、调制信号角频率有关，各谐波分量的幅值与调制度有关。,谐波角频率，其中n=1，3，5，k=0，2，4，6；n=2，4，6，k=1，3，5基本结论：（1）不管采用何种算法，SPWM、PWM脉冲波形中必定含有谐波。谐波分量主要集中在三角波频率及其倍频、的附近，幅值最高影响也最大的是角频率为的谐波分量，随着倍频的增高其附近的谐波幅值越来越小。（2）当载波比较高(大于8)时，谐波分量的幅值基本与载波比无关。（3）调制度越大，总的谐波畸变率越小。因此，为了有效地抑制谐波，应在允许的条件下尽可能地提高载波比和调制度的值。,三相公用一个载波信号的三相SPWM波，其输出线电压中所包含的谐波角频率为，式中，n=1，3，5，时k=3（2m-1）1，其中m=1，2，；n=2，4，6，时，没有载波角频率整数倍的谐波。幅值较高的为、次。其中次谐波频率较低，因此影响也较大。SPWM波形中所含的谐波主要是角频率为、及其附近频率的谐波。一般，SPWM波形中的主要谐波的频率要比基波频率高得多。,6.2.6SPWM模式优化技术,SPWM模式的优化技术，就是根据某一特定目标将所有工作频率范围内的开关角预先计算出来，然后通过查表或其他方式输出，形成SPWM波形。优化SPWM模式所追求的目标有谐波畸变率最小、电压利用率最高、开关次数最少、电机转矩脉动最小等。常用的优化方法:谐波消去法提高电压利用率降低开关次数,（1）谐波消去法波形需四分之一对称以消除偶次谐波及余弦项在三相对称电路的线电压中，相电压所含3次谐波相互抵消，因此可以考虑消去5次和7次谐波,an=0,一般来说，如果在输出电压的半个周期开关器件开通和关断各k次，则共有k个自由度可以控制，除用一个自由度来控制基波幅值外，可以消除k-1种谐波。,（2）提高电压利用率三相SPWM逆变电路，调制度为最大值1时，直流电压的利用率仅为0.866，其原因是在线性调制范围内，正弦调制信号的幅值不能超过三角波幅值。因此，采用这种正弦波和调制波比较的调制方法时，实际能得到的直流电压利用率比0.866还要低。为了提高直流电压利用率，可采用梯形波作为调制信号。但梯形波中含有5次、7次等低次谐波，故调制后的PWM波中也含有同样的低次谐波，这是采用梯形波的缺点。理论分析证明，当梯形波的三角化率（梯形波的高除以梯形波两腰延长后相交所形成的三角形的高）取0.4时，综合效果较好，即谐波含量相对来说较少，直流电压利用率为1.03。,在三相SPWM逆变器中，如果在相电压正弦波调制信号中叠加适当大小的3次谐波，使之成为鞍形波，那么当鞍形波的最大幅值等于三角载波幅值时，鞍形波中将含有更大的基波正弦分量。鞍形波经过PWM调制后，逆变电路输出的相电压中也包含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同，在合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。,（3）降低开关次数降低开关次数可以降低开关损耗，提高效率。设需要调制输出的三相正弦信号分别为urA、urB、urC，令upA=-min（urA，urB，urC）令三相的调制信号分别为可以看出urA、urB、urC、中总有1/3周期的值是和三角波负峰值是相等的，其值为1。,这种控制方式的优点是：在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可使开关损耗减少1/3；最大输出线电压基波幅值为直流侧电压，直流电压利用率提高了15；相电压中相应于的谐波分量相互抵消，输出线电压中不含低次谐波。由此可见，这种控制方式不仅可降低开关次数，也可以提高电压利用率，但是控制比较复杂。,（4）电机转矩脉动最小减小电机转矩脉动，主要从优化磁链轨迹的角度的入手。另外，减小逆变器输出谐波，也可以减小电机转矩脉动。,6.3空间矢量脉宽调制,SVPWM（SpaceVectorPWM）是空间矢量脉宽调制技术的简称。SVPWM把电动机与PWM逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电机中的理想磁链圆为基准，控制逆变器采用不同的开关模式，输出期望的电压，使产生的磁链有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来近似逼近圆形。理论分析和实验都表明SVPWM控制具有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高（比普通SPWM调制约高15）等优点。目前已在通用变频器产品中得到了广泛的应用。,三相电压型逆变器带电机负载正常工作时的特点是，每相的上下桥臂总有一个且只有一个开关导通。满足这个条件的三相逆变器开关模式共有8种，如果用“1”表示一相的上桥臂导通，用“0”表示该相的下桥臂导通，8种开关模式分别为S1（100）、S2（101）、S3（110）、S4（011）、S5（001）、S6（010）、S7（000）、S8（111）。三相电压的合成空间矢量8种开关模式下，逆变器输出电压的空间矢量为：,在S7（000）、S8（111）两种状态下，逆变器输出电压为0，称为零矢量。其它6种开关模式对应的电压矢量为有效矢量，它们幅值相等，均等于2/3Udc，相位互差/3。6个有效矢量将整个矢量空间分为6个区域，称为扇区。连接6个有效矢量的端点，则形成一个正六边形，称为空间矢量六边形。,假设在某一采样时刻参考电压矢量最大调制时，SVPWM输出的相电压的基波峰值为，线电压的基波峰值则为。SVPWM的线性工作区比常规SPWM高15.74，即SVPWM的线性调制比可达1.1547，这意味着SVPWM比常规SPWM有更宽的线性工作范围，此时输出线电压的峰值达到直流母线电压，达到了在线性调制区的最大值。,6.4跟踪型PWM,跟踪型PWM不是用载波对信号波进行调制，而是把希望输出的电流或电压信号作为参考信号，把实际输出的电流或电压信号作为反馈信号，通过两者的实时比较来决定功率开关器件的导通与关断，使实际输出跟踪参考信号。跟踪型PWM常用的控制方式是滞环比较器方式。电压跟踪型PWM控制和电流跟踪型PWM控制实现原理相同，电流追踪控制应用的最多。,6.4.1单相电流跟踪型PWM,把参考电流I*和实际输出电流I进行比较，两者的偏差i（=I*i）作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制晶体管VT1和VT2的通断。当VT1导通时，I增大，当VT2导通时，I减小。用H表示滞环比较器的环宽，当|i|H时，滞环比较器输出保持不变；当|i|H时，滞环比较器输出翻转。假设后面的驱动电路和主电路无延时，I就在偏差为H的（I*+H）和（I*H）的范围内呈锯齿状地跟踪参考电流i*。,滞环环宽的宽度（2H）：环宽过宽时，开关动作频率较低，但跟踪误差较大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关损耗增大，甚至会超过功率开关器件允许的工作频率范围。和负载串联的电抗器L用来限制i的变化率。当L过大时，I的变化率过小，对参考电流I*的响应变慢；当L过小时，I的变化率过大，偏差i频繁地达到H，开关动作频率过高。,6.4.2三相电流跟踪型PWM,可看出，在线电压波形的半个周期内，有极性相反的脉冲输出，这将使输出电压中的谐波分量增大，也使负载的谐波损耗增加.,采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM逆变电路有如下优点：硬件电路简单；属于实时控制方式，电流响应很快；不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；相比其它方法，同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多；属于闭环控制。,滞环比较器固定滞环的缺点：当I的变化范围较大的情况下，在I值较小的时段，输出电流的相对跟踪误差过大，输出波形中的低频谐波成份增多；在I值较大且变化率较大的时段，又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。输出波形中的谐波频率不固定，给滤波造成困难。,解决办法：（1）可将滞环比较器的宽度H设计成可随I的大小而自动调节；（2）可采用定时控制方式的电流跟踪型PWM控制。,跟踪型PWM三角波比较方式:把调制参考信号和实际输出信号之间的偏差，通过放大器放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形，控制电力电子器件的开关。此处放大器常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响着电流的跟踪性能。在三角波比较方式中，电力电子器件的开关频率固定，等于载波频率，谐波滤波相对来说较为容易。为了改善输出电压波形，在三相PWM电路中，三角载波常采用三相三角波信号。和滞环比较控制方式相比，三角波控制方式输出电流所含的谐波少，因此，常用于对谐波和噪声要求严格的场合。,6.5减小谐波的措施,减小谐波的措施可分为两类：一类称为被动措施，即针对变换器输出的PWM波形，采用外部措施，来消除或减小PWM波形中的谐波分量，常用的有无源滤波器法和有源滤波器法；,另一类称为主动措施，即在生成PWM波形时，采用优化硬件电路结构或优化软件算法的措施，使生成的PWM波形中含有的谐波分量较小，或不含有低次谐波分量，从而为外部谐波滤波电路提供方便。减小谐波的主动措施有