第7章 PWM控制技术

1、1第第7章章 PWM控制技术控制技术7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7.3 PWM跟踪控制技术跟踪控制技术7.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法 本章小结本章小结27.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理冲量：指窄脉冲的面积冲量：指窄脉冲的面积惯性的环节如：惯性的环节如：R-L电路、电路、R-C电路电路效果基本相同：是指环节的输出响应波形基本相同效果基本相同：是指环节的输出响应波形基本相同, 低频段非常接近，低频段非常接近， 仅在高频段略有差异仅在高频段略有差异 理论基础理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有

2、惯性的环节上冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同时，其效果基本相同冲量等效原理或面积等效原理冲量等效原理或面积等效原理3可互相代替可互相代替7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 理论基础理论基础例如：例如：R-L电路电路不同输入不同输入 e(t) 时时输出响应为输出响应为 i (t) i (t) 的上升段的上升段(含含高频分量高频分量)略有不同，略有不同，i (t) 的下降段的下降段(含含低频分量低频分量)几乎相同；几乎相同；脉冲脉冲 e(t) 越窄，越窄， i (t) 的差异越小；的差异越小；47.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理 用一系列用一系列等幅

3、不等宽等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的脉冲来代替一个正弦半波l 正弦半波正弦半波N等分，可看成等分，可看成N个彼个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；但幅值不等；l 用矩形脉冲代替，等幅不等宽，用矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；中点重合，面积（冲量）相等；宽度按正弦规律变化；宽度按正弦规律变化；l SPWM波形波形脉冲宽度按正弦脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的规律变化而和正弦波等效的PWM波形；波形；要改变等效输出正弦波幅值，要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可；按同一比例改变各脉冲宽度即可；57.1 PWM控

4、制的基本原理控制的基本原理 用一系列用一系列等幅不等宽等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的脉冲来代替一个正弦半波l PWM波形可等效其他波形，波形可等效其他波形， 只要满足面积等效原理即可。只要满足面积等效原理即可。67.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法7.2.1 计算法和调制法计算法和调制法7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制7.2.3 规则采样法规则采样法7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数7.2.6 空间矢量空间矢量SVPWM控制控制 7.2.7 PWM逆变电路的多

5、重化逆变电路的多重化7l 目前中小功率的逆变电路几乎都采用目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术技术l 逆变电路是逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合控制技术最为重要的应用场合l 本节内容构成了本章的主体本节内容构成了本章的主体l PWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流型电流型两种，两种， 目前实用的目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路逆变电路几乎都是电压型电路7.2 PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法87.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法计算法l 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计

6、算 PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开 关器件的通断，就可得到所需关器件的通断，就可得到所需PWM波形；波形；l 繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时， 结果都要变化；结果都要变化；l 程序复杂，对硬件要求高。程序复杂，对硬件要求高。97.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 调制法调制法l 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；波；l 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；l 等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和

7、高度成线性关系等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系 且左右对称；且左右对称；l 与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断， 就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求；的要求；l 调制信号波为正弦波时，得到的就是调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；波；l 调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效 的的PWM波；波；107.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路crfN

8、f称为称为“载波比载波比”urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud117.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 单单极性极性PWM控制方法控制方法在调制信号在调制信号 ur 的半周内，三角形载波的半周内，三角形载波 uc 只有正极性或负极性只有正极性或负极性控制逻辑控制逻辑 (由调制电路发出相应的触发信号由调制电路发出相应的触发信号) 调制信号调制信号ur正半周：当正半周：当uc ur时，时， u0 =0； 1、3 通、通、2、4 断断 当当uc ur时，时， u0 =-Ud ； 1、4 断，断，2、3 通通 当当uc ur时，时， u0 =0 ； 2、4通、通、1、3断断127.2.1

9、 计算法和调制法计算法和调制法 单单极性极性PWM控制下的波形控制下的波形rcUMU称为称为“调制度调制度”urucuOwtOwtuouofuoUd- Ud137.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双双极性极性PWM控制方法控制方法在调制信号在调制信号 ur 的整个周期内，三角形载波的整个周期内，三角形载波 uc 只有正有负只有正有负控制逻辑控制逻辑 (由调制电路发出相应的触发信号由调制电路发出相应的触发信号) 调制信号调制信号ur ：当：当uc ur时，时， u0 =-Ud ； 1、4 断，断，2、3 通通147.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 双双极性极性PWM控制下的波形控制下

10、的波形urucuOwtOwtuouofuoUd- Ud157.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud调制法调制法 采用双极性控制方式；采用双极性控制方式； 三相的调制信号三相的调制信号urU、urV 和和 urW 依次相差依次相差120； 公用一个三角形载波信号公用一个三角形载波信号 uc 。167.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路图6-8ucurUurVurWuuUNuVNuW

11、NuUNuUVUd-UdOwtOOOOOwtwtwtwtwt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud22Ud177.2.1 计算法和调制法计算法和调制法 计算法举例计算法举例l 特定谐波消去法特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM)设三相桥式设三相桥式PWM逆变电路中的逆变电路中的 uUN 波形如下：波形如下： 为消除偶次谐波，要求输出电压关于为消除偶次谐波，要求输出电压关于p p 处镜对称；处镜对称；()()ututwwpwwp 为消除谐波中的余弦项，要求输出电压在每个半波内为消除谐波中的余弦项，要求输出电压在每个半波内 关于轴线对称关于轴线对称()(

12、)ututw wp pw w这样的波形，称为这样的波形，称为“四分之一四分之一”周期对称波形。周期对称波形。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3187.2.1 计算法和调制法计算法和调制法l 特定谐波消去法特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM)在半个周期内，器件开通、关断各在半个周期内，器件开通、关断各3次，共有次，共有6个开关时刻个开关时刻应给予控制应给予控制(不包括不包括0和和p p 处处)；只需计算出只需计算出a a1、a a2、a a3 即可；即可；由于对称性，其他开关时刻均可依由于对称性，其他开关时刻均可依a a1、a a2、a a3

13、求出；求出；OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3197.2.1 计算法和调制法计算法和调制法l “四分之一四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解周期对称波形的傅立叶级数分解1,3,5,()sinnnutan twwww12132324200200242()sin()sin()sin()224sin(4()sin()=()sin()sin()222122Tndddddautn t dtTUUn t dtn t dtUUn t dtn t dutn t dtudUtn tntta ap pa aa ap pa aa ap pa awwwwwwwwwwwwwwp pwwwwwwwwwwwwwwww

14、wwwwppppp p 123cos2cos2cosnnnaaaaaa207.2.1 计算法和调制法计算法和调制法l “四分之一四分之一”周期对称波形的傅立叶级数分解周期对称波形的傅立叶级数分解112351233123972313122(12cos2cos2cos)2(12cos522(12cos32cos32cos3)2(12ccos52cos5)052(12cos72cos72cos7)os920cos92c s9)97odddddUUUUUa aa aa aa ap pa aa aa aa ap pa aa aa aa ap pa aa aa aa ap pa aa aa aa ap p

15、 某某一一需需要要的的值值选选3个方程，联立求解，即可求出个方程，联立求解，即可求出a a1、a a2、a a3；217.2.1 计算法和调制法计算法和调制法l 推论推论 对于对于“四分之一四分之一” 周期对称的周期对称的PWM波，如果在输出电压半波，如果在输出电压半周期内器件通、断各周期内器件通、断各k次，则有次，则有k个开关时刻是独立的，其余个开关时刻是独立的，其余开关时间均可以推导计算出来；开关时间均可以推导计算出来； 除用一个自由度控制基波幅值外除用一个自由度控制基波幅值外(如以上的如以上的a a1)，可消去，可消去k-1个个频率的特定谐波频率的特定谐波(如以上的如以上的a a5 、a

16、 a7 等等) ；OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3227.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制1、异步调制、异步调制l 载波比载波比N：载波频率：载波频率 fc 与调制信号频率与调制信号频率 fr 之比之比 反映了一个调制波反映了一个调制波 周期中包含的载波信号周期的个数；周期中包含的载波信号周期的个数；crfNfl改变调制信号频率改变调制信号频率 fr 时，不改变载波信号频率时，不改变载波信号频率 fc ，则载波，则载波比比N将发生变化，使得调制信号和载波信号的频率变化不保将发生变化，使得调制信号和载波信号的频率变化不保持同步，这种调制方式称为持同步，这种调制方式称为“异步调制

17、异步调制”；237.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制1、异步调制、异步调制l 特点特点： fr 越低，一个调制周期中所含载波周期数越多；脉冲越多；越低，一个调制周期中所含载波周期数越多；脉冲越多； 一个调制周期中输出脉冲数量不固定，相位也不固定；一个调制周期中输出脉冲数量不固定，相位也不固定； 输出电压的正负半周中输出脉冲不对称；输出电压的正负半周中输出脉冲不对称； 输出电压的半周期中，前后输出电压的半周期中，前后1/4周期的脉冲也不对称；周期的脉冲也不对称；l 影响影响： 当当 fr 较低时，造成载波比较低时，造成载波比N较大，半周内脉冲数较多，较大，半周内脉冲数较多， 则特点则

18、特点 产生的影响小，输出波形接近正弦波；产生的影响小，输出波形接近正弦波； 当当 fr 较高时，造成载波比较高时，造成载波比N较小，半周内脉冲数较少，较小，半周内脉冲数较少， 则特点则特点 产生的影响大，输出波形变坏，谐波含量增产生的影响大，输出波形变坏，谐波含量增 大，输出波形的对称性也变差；大，输出波形的对称性也变差；247.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2、同步调制、同步调制l变频时，载波频率变频时，载波频率 fc 与调制信号频率与调制信号频率 fr 同时改变，且载波比同时改变，且载波比N保持不变，使调制信号和载波信号的频率变化保持同步，保持不变，使调制信号和载波信号的频率

19、变化保持同步，这种调制方式称为这种调制方式称为“同步调制同步调制”；l例如，三相例如，三相PWM逆变电路中逆变电路中257.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2、同步调制、同步调制l 特点特点： 调频时，调制周期中输出脉冲数量固定，相位也固定；调频时，调制周期中输出脉冲数量固定，相位也固定； 在三相电路中，载波比在三相电路中，载波比N为为3的倍数时，三相输出波形的倍数时，三相输出波形 对称；对称； 载波比载波比N为奇数时，每相输出波形的正负半周为镜对称，为奇数时，每相输出波形的正负半周为镜对称， 可消去偶次谐波；可消去偶次谐波；l例如，三相例如，三相PWM逆变电路中逆变电路中267.

20、2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2、同步调制、同步调制l缺点缺点： 为保持同步，当所需的输出频率较低时，则相应的载波频为保持同步，当所需的输出频率较低时，则相应的载波频率低，在相同时间段中的脉冲数较少，输出波形中的谐波率低，在相同时间段中的脉冲数较少，输出波形中的谐波频率低，不易滤波，使电机产生较大的转矩脉冲和噪声；频率低，不易滤波，使电机产生较大的转矩脉冲和噪声； 当所需的输出频率较高时，又会造成载波频率过高，在相当所需的输出频率较高时，又会造成载波频率过高，在相同的时间段中的脉冲数较多，而受到开关器件的开关频率同的时间段中的脉冲数较多，而受到开关器件的开关频率的限制；的限制；l

21、例如，三相例如，三相PWM逆变电路中逆变电路中277.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制2、同步调制、同步调制l改进措施改进措施 在输出频率的范围内，采用在输出频率的范围内，采用“分段分段”的同步调制方法；的同步调制方法； 即把即把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内部采用同步调制，范围划分成若干个频段，每个频段内部采用同步调制，而不同频段采用不同的载波比；而不同频段采用不同的载波比； 在在 fr 高频段，采用低载波比，不致使高频段，采用低载波比，不致使 fc 过高，而将过高，而将 fc 限制在限制在开关器件所允许的范围内；开关器件所允许的范围内； 在在 fr 低频段，采用高载波

22、比，不致使输出脉冲数过少，而将低频段，采用高载波比，不致使输出脉冲数过少，而将输出信号中的谐波限制在所允许的范围内；输出信号中的谐波限制在所允许的范围内； 每个频段中的载波比每个频段中的载波比N 一般取一般取 3 的倍数且为奇数，以便形成的倍数且为奇数，以便形成四分之一周期对称的输出波形；四分之一周期对称的输出波形；287.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制3、分段同步调制、分段同步调制此频率段的选择，受功率开关此频率段的选择，受功率开关器件所允许的最高频率限制；器件所允许的最高频率限制；采用单片机控制时，还受单片采用单片机控制时，还受单片机计算速度的限制；机计算速度的限制；一般大约

23、在一般大约在1.42.0kHz之间；之间；在实际使用中，为防止切换频在实际使用中，为防止切换频率点处的频率来回突变，常采率点处的频率来回突变，常采用用“滞后切换滞后切换”方法。方法。297.2.3 规则采样法规则采样法 SPWM波形的生成方法：波形的生成方法： 模拟电路模拟电路：用比较器对正弦调制波和三角形载波进行比较，：用比较器对正弦调制波和三角形载波进行比较， 以交点确定脉冲的宽度和间隔；以交点确定脉冲的宽度和间隔； 微机控制微机控制：编辑程序，计算出脉冲的宽度和间隔，：编辑程序，计算出脉冲的宽度和间隔， 有：实时计算法、查表法；有：实时计算法、查表法； 专用集成芯片专用集成芯片：其中已有

24、固化的程序，可直接输出脉冲宽：其中已有固化的程序，可直接输出脉冲宽 度和脉冲间隔可调的度和脉冲间隔可调的PWM信号，一般与信号，一般与 主控元件配套使用。主控元件配套使用。 前面所述：利用正弦波和三角波的自然交点时刻来控制开关前面所述：利用正弦波和三角波的自然交点时刻来控制开关 器件的通断的控制方法，成为器件的通断的控制方法，成为“自然采样法自然采样法”； 但确定脉宽的方程为超越方程，难以在实时控制但确定脉宽的方程为超越方程，难以在实时控制 中在线计算，工程应用不多。中在线计算，工程应用不多。307.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法的计算公式规则采样法的计算公式以单相为例以单相为例设正

25、弦调制信号波为设正弦调制信号波为sinrruatw w调制度调制度M为正弦调制波峰值为正弦调制波峰值Ur与三与三角形载波峰值角形载波峰值Uc的比值，在此：的比值，在此：rcUMaUucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图6-12 规则采样法 317.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法的计算公式规则采样法的计算公式以单相为例以单相为例依据相似三角形依据相似三角形Dc1sin2/2/2ratTw wd dD(1sin)2crTatd dw wcD1(1sin)24crTTatd dd dw wl改变调制度改变调制度a 值，即可改变输出电值，即可改变输出电压压 u0 的

26、幅值；的幅值；l改变调制信号频率改变调制信号频率w wr，即可改变输，即可改变输出电压出电压u0的频率。的频率。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图6-12 规则采样法 327.2.3 规则采样法规则采样法 规则采样法的计算公式规则采样法的计算公式以单相为例以单相为例实际计算时，令实际计算时，令D2,1,2,3,.,1rtkknnp pw w若载波比为若载波比为 3 的整数倍且为奇数的整数倍且为奇数时，只需计算前四分之一周期的时，只需计算前四分之一周期的数据。数据。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图6-12 规则采样法 337.2.3

27、规则采样法规则采样法 三相三相SPWM波形的生成的规则采样法波形的生成的规则采样法DDD(1sin)21sin(120 )21sin(120 )2cUrcVrcWrTatTatTatd dw wd dw wd dw w32cUVWTdddddd 34cUVWTd dd dd d图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud347.2.4 PWM逆变电路的谐波逆变电路的谐波分析分析结论结论 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路双极性调制方式下，双极性调制方式下，谐波角频率为谐波角频率为crcrnkw ww ww ww w，n=1,3,5,时，时，k=0,2,4

28、, ，n=2,4,6,时，时，k=1,3,5, ； 故：故：PWM波中不含低次谐波，如波中不含低次谐波，如 kw wr 等；等； 只含有整数倍角频率只含有整数倍角频率 w wc 及其附近的谐波；及其附近的谐波； 幅值最高影响最大的是角频率为幅值最高影响最大的是角频率为w wc 的谐波分量。的谐波分量。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅谐波振幅0.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a =0.5a=0角频率角频率(nw wc +kw wr)357.2.4 PWM逆变电路的谐波逆变电路的谐波分析分析结论结论 三相桥式三相桥式PWM逆变电路逆

29、变电路1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率角频率(nw wc +kw wr)谐波振幅谐波振幅公用一个载波信号，公用一个载波信号，双极性调制方式下，双极性调制方式下，谐波角频率为谐波角频率为crcrnkw ww ww ww w，610,1,611,2,mmkmmn=1,3,5,时，时， k=3(2m-1), m=1,2,，n=2,4,6,时，时，故：故：PWM波中不含低次谐波，如波中不含低次谐波，如 kw wr 等；等； 不含有整数倍角频率不含有整数倍角频率 w wc 的谐波；的谐波； 谐波幅

30、值较高的角频率为谐波幅值较高的角频率为 w wc2w wr和和2w wcw wr 。367.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数提高直流电压利用率和减少开关次数 评价评价PWM控制方法的基本标志控制方法的基本标志 输出电压波形中的输出电压波形中的谐波含量谐波含量； 直流电压利用率直流电压利用率 逆变电路输出交流电压的基波最大值逆变电路输出交流电压的基波最大值U1m与输入直流与输入直流 电压电压Ud之比；之比； 一个输出电压周期中功率器件的一个输出电压周期中功率器件的开关次数开关次数； 对于正弦波调制的三相对于正弦波调制的三相PWM逆变电路逆变电路若调制度若调制度 a 为为 1 时，时，直流

31、电压利用率直流电压利用率 输出相电压基波幅值为输出相电压基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为 0.5； 输出线电压基波幅值为输出线电压基波幅值为 ，直流电压利用率为，直流电压利用率为0.866；若调制度若调制度 a 小于小于 1 时，直流电压利用率更低；时，直流电压利用率更低；/2dU3/2dU377.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法7.4.1 PWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理7.4.2 PWM整流电路的控制方法整流电路的控制方法387.4 PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法引言引言 实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流实用的整流电路

32、几乎都是晶闸管整流或二极管整流 晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中 谐波分量大，因此功率因数很低谐波分量大，因此功率因数很低 二极管整流电路：虽位移因数接近二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流中谐，但输入电流中谐 波分量很大，所以功率因数也很低波分量很大，所以功率因数也很低 把逆变电路中的把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形控制技术用于整流电路，就形 成了成了PWM整流电路整流电路 控制控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，整流电路，使其输入电流非常接近正弦波， 且和输入电压同相位，功率因数近似为且和输入电

33、压同相位，功率因数近似为1，也称单位功，也称单位功 率因数变流器，或高功率因数整流器率因数变流器，或高功率因数整流器39本章小结本章小结PWMPWM控制技术的地位控制技术的地位 PWMPWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。PWMPWM技术与器件的关系技术与器件的关系 IGBTIGBT、电力电力MOSFETMOSFET等为代表的全控型器件的不断等为代表的全控型器件的不断完善给完善给PWMPWM控制技术提供了强大的物质基础。控制技术提供了强大的物质基础。PWMPWM控制技术用于直流斩波电路控制技术用于直流斩波电路 直流斩波电路实际上就是直流直流斩波电路实际上就是直流PWMPWM电路，是电路，是PWMPWM控控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应