第6章 脉冲宽度调制技术

1、Power Electronics第六章第六章 脉冲宽度调整技术脉冲宽度调整技术v 6.16.1概述概述v 6.26.2正弦正弦PWMPWMv 6.36.3空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制v 6.46.4跟踪型跟踪型PWMPWMv 6.56.5减小谐波的措施减小谐波的措施Power Electronics6.16.1概述概述v PWM PWM （Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）控制就是通过对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）波形（包括形状和幅值

2、）。v PWMPWM控制的功能控制的功能-将信息电路计算出来的输出参考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。导通与断开，从而得到期望的输出信号。v PWMPWM控制技术的优点：控制简单、灵活、动态响应控制技术的优点：控制简单、灵活、动态响应好。好。v PWMPWM应用范围：交、直流载波电力、整流电路、逆应用范围：交、直流载波电力、整流电路、逆变电路。变电路。Power Electronics6.2正弦正弦PWMv 6.2.1 SPWM6.2.1 SPWM原理原理v 6.2.2

3、SPWM6.2.2 SPWM波形的生成方法波形的生成方法v 6.2.3 SPWM6.2.3 SPWM波形的软件生成方法波形的软件生成方法v 6.2.4 SPWM6.2.4 SPWM波形的电子电路生成方法波形的电子电路生成方法v 6.2.5 SPWM6.2.5 SPWM波形的谐波分析波形的谐波分析v 6.2.6 SPWM6.2.6 SPWM模式优化技术模式优化技术Power Electronics6.2.1SPWM6.2.1SPWM原理原理v 面积等效原理面积等效原理-PWM-PWM控制技术的重要理论基础：控制技术的重要理论基础：v 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，冲量相等而形状

4、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。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形状不同而冲量相同的各种窄脉冲Power Electronicsv SPWMSPWM波形波形v 把正弦半波分成把正弦半波分成n n等份得到由等份得到由n n个彼此相连个彼此相连 的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度 相等，都等于相等，都等于/n n，但幅值不等，且脉冲，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弦规

5、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。这就是列。这就是PWMPWM波波，这些，这些PWMPWM脉冲幅值相等，而宽度按照脉冲幅值相等，而宽度按照正弦规律变化。根据面积等效原理，正弦规律变化。根据面积等效原理，PWMPWM波和正弦半波对惯波和正弦半波对惯性负载是等效的。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像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的弦波等效的PW

6、MPWM波形，称为波形，称为SPWMSPWM（Sinusoidal PWMSinusoidal PWM）波形）波形。Power Electronicsv 要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例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。系数改变上述各脉冲的宽度即可。v 被调制的信号可以是任意形状的波形，它们的实现原被调制的信号可以是任意形状的波形，它们的实现原理与理与SPWMSPWM相同，即面积等效原理。相同，即面积等效原理。Power Electronics6.2.2 SPWM6.2.2 SPWM的生成方法的生成方法v 1. 1.直接计算法直接计算法n

7、 直接计算法是指通过计算每个控制周期内调制波与时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制周期内PWMPWM脉冲（幅度一般都可事先得到）的宽脉冲（幅度一般都可事先得到）的宽度。度。n 缺点：当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位动态缺点：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计算得到时，就需要实时计算每个控制周期PWMPWM波波的宽度和动作时刻，这时直接计算法相

8、当繁琐。的宽度和动作时刻，这时直接计算法相当繁琐。n 优点：可以做到精确计算。优点：可以做到精确计算。Power Electronicsv2.2.载波调制法载波调制法 v载波调制法是把希望输出的波形作为调制信号，与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，从而得到期望的载波进行比较，从而得到期望的PWMPWM波形波形。v载波通常采用等腰三角波或锯齿波的形式。载波通常采用等腰三角波或锯齿波的形式。v腰线上任一点的水平宽度与高度成线性关系。腰线上任一点的水平宽度与高度成线性关系。v在调制波与载波的交点时刻对电路中开关器件的通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

9、可以得到宽度正比于信号波幅值的断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合脉冲，这正好符合PWMPWM控制的要求。控制的要求。a)a)载波调制法是一种近似方法。载波调制法是一种近似方法。载波调制法的优点是载波调制法的优点是计算简单计算简单，即使是需要输出的波形比较复杂，也仅，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。求出相应的宽度即可。 Power Electronicsv 2.2.载波调制法载波调制法 v -单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路单极PWM控制方式原理u

10、ur r u uc c u ur r u uc c 正弦波正半周 正弦波负半周 Power Electronicsv 2.2.载波调制法载波调制法 -单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路UO UG1 UG4 UG2 UG3 u ur r UUc c时，时，VTVT1 1导通，导通，VTVT4 4关断关断u uuNuN= = U Ud d/2/2。v 当当U UrUrUUUc c时，时，VTVT4 4导通导通, VT, VT1 1关断关断u uuNuN= = - -U Ud d/2/2。 v VTVT1 1和和VTVT4 4的驱动信号互补。给的驱动信号互补。给VTVT1 1和（和（VTV

11、T4 4）加）加 驱动信号时，可能是驱动信号时，可能是VTVT1 1（VTVT4 4 ) )导通，导通， 也可能是也可能是VDVD1 1（VDVD4 4）续流导通。）续流导通。 u uUNUN = u = uUNUN- - （u uUNUN+ u+ uVNVN+ u+ uWNWN）/2 /2 可见可见负载相电压的负载相电压的PWMPWM波有（波有（2/32/3）U Ud d , , （1/31/3）U Ud d 和和 0 0一共一共5 5种电平种电平。Power Electronicsv 载波频率与调制信号频率之比，称为载波频率与调制信号频率之比，称为载波比载波比。可分为。可分为同步调制和异步

12、调制。同步调制和异步调制。（1 1）同步调制）同步调制：载波比载波比NN不变不变，即一个信号周期内含有，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整载波频率，使载波与调制信号始终保持同步。v 优点优点：在输出信号频率变化的范围内，皆可保持输出：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。波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。v 缺点缺点：当调制信号的频率很低时，每个信号周期内的：当调制信号的频率很低时，每个信号周期内的PWMPWM脉冲数过少

13、，低次谐波分量较大。如果负载为脉冲数过少，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。电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声。Power Electronicsv 实际应用中多采用分段同步调制方式，即在低频运行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时，使载波比有级地增大，在有级地改变一个信号周期内期内PWMPWM脉冲数目的同时，仍保持其半波和三相的脉冲数目的同时，仍保持其半波和三相的对称关系。对称关系。Power Electronics（2 2）异步调制）异步调制：采用固定不变的载波频率采用固定不变的载波频率，即载波信号

14、，即载波信号不随调制参考信号做同步变化不随调制参考信号做同步变化。v 优点优点：是当参考信号频率较低时，载波比较高，低频：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，低频转矩脉动和噪输出特性好，当负载为电动机时，低频转矩脉动和噪声小。声小。v 缺点缺点：当调制信号频率变化时，难以保证载波比为整：当调制信号频率变化时，难以保证载波比为整数，特别是能被数，特别是能被3 3整除的数，因而不能保证正负半周整除的数，因而不能保证正负半周期脉冲的对称性、半周期内期脉冲的对称性、半周期内1/41/4周期脉冲的对称性，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，

15、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。异步调制不如分段同步调制方式应用得广泛。Power Electronicsv （1 1）自然采样法）自然采样法v 在正弦波和三角波的自在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种方关器件的通断，这种方法称为自然采样法。法称为自然采样法。cccccccccTntTnTntTTntTnTntTu4143 43414345 4541 正弦调制信号波正弦调制信号波 a a称为调制度，称为调制度，00a a11； 为为信号波角频率。信号波角频率。 taursinrrBrcBcArcA

16、ctaTntTtaTntTsin4341sin4541解得：解得：t ta a和和t tb b由于求解超越方程的困难性，自然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。实际采样法往往有模拟电路实现。实际应用少。应用少。Power Electronics6.2.3 SPWM波形的软件生成方法波形的软件生成方法v 规则采样法规则采样法v 锯齿波锯齿波: :锯齿波的垂直边和正弦调制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，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计算量明显减

17、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，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。总的谐波含量也比等腰三角载波大。v 等腰三角波等腰三角波: :在三角载波的负峰值点对在三角载波的负峰值点对调制波进行采样得到调制波进行采样得到D D点，过点，过D D点作一点作一水平直线和三角波分别交于水平直线和三角波分别交于A A、B B两点，两点，在在t tA A和和t tB B时刻控制电力电子开关的通断。时刻控制电力电子开关的通断。这样，每个这样，每个PWMPWM脉冲都以相应的三角脉冲都以相应的三角波中点为左右对称。波中点为左右对称。Power Electronics

18、v 规则采样法规则采样法-自然采样法自然采样法v 在三角波一周期内，脉冲两边得间隙宽度为：在三角波一周期内，脉冲两边得间隙宽度为：v说明：说明：（1 1）自然采样法和规则采样法，都属于近似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。采样法更为精确。（2 2）在软件计算）在软件计算SPWMSPWM波形时，为计算的方便，波形时，为计算的方便， 常规定三角

19、波相邻两个正峰值或两个负峰值之间为一个周期。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。222sin1cDrTta)sin1 (2DrctaT)sin1 (4)(21DrcctaTTPower Electronicsv 采样时刻在三角波波峰的规则采样法：若将采样时刻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，通过采样点确定在三角载波的波峰时刻，通过采样点D D向后延伸向后延伸作一水平直线，分别与三角载波交于作一水平直线，分别与三角载波交于E E、F F两点，两点， t tE E和和t tF F和时刻即为和时刻即为SPWMSPWM脉冲的跳变时刻。由于和时刻均

20、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。需要采用预测计算。Power Electronics6.2.4 SPWM电子电路生成方法电子电路生成方法（1 1） 纯粹由模拟电路元件生成。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、。模拟电路生成法的优点是完成三角载波和调制

21、波的比较、输出输出SPWMSPWM波形几乎是瞬间完成的，延时非常微小；模拟电路生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，难以实现优化成误差，难以实现优化PWMPWM控制的。控制的。（2 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）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的PWMPWM波。波。（3 3）采用模拟电路和数字电路混

22、合的方法，充分利用数字电路的灵活）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PWMPWM控制。控制。Power Electronics（4 4）PWMPWM也可采用基于也可采用基于EPROMEPROM存储器的方法实现。这存储器的方法实现。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。地节省微机资源。（5 5）采用）采用PWMPWM专用集成电路。目前已出现了多种专用集成电路。目前已出现了多种PWMPWM专用集

23、成芯片（专用集成芯片（ASICASIC）。如）。如IntelIntel公司的公司的MCS-80C196MCS-80C196和和87C19687C196系列、系列、ADAD公司的公司的ADMC331ADMC331、MOTOROLAMOTOROLA公司的公司的68HC908MR1668HC908MR16等可输出等可输出6 6路独立的路独立的PWMPWM波形，波形，TITI公司的公司的TMS320F2XTMS320F2X等可输出等可输出1212路路PWMPWM波形。波形。Power Electronics6.2.5 SPWM波形的谐波分析波形的谐波分析v SPWMSPWM输出波输出波u uo o可表

24、示为可表示为其中其中v 设正弦调制波设正弦调制波u ur r、u uc c表达式为表达式为v SPWMSPWM波中的谐波成份与载波角频率、调制信号角频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。率有关，各谐波分量的幅值与调制度有关。 2121 tEttEuccco或10sincos2ncncnotbtaaEu-.) , 2 , 1 ( sin1 .) , 2 , 1 , 0( cos1ntdtnEubntdtnEuacconccon.) , 2 , 1( )coscos(2.) , 2 , 1( )sin(sin2)(22121210nnnnbnnnnaann

25、)sin(taurrttttuccccc0 210 210.) , 2 , 1( 1)sin(2sin4)sin(20nrnrbntannataatntanntaEucnrrocos1)sin(2sin4)sin(1Power Electronicsv谐波角频率谐波角频率 ，其中，其中 n=1n=1，3 3，5 5，k=0k=0，2 2，4 4，66； n=2n=2，4 4，6 6，k=1k=1，3 3，55v基本结论：基本结论：（1 1）不管采用何种算法，）不管采用何种算法，SPWMSPWM、PWMPWM脉冲波形中必定含有谐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波。谐波分量主要

26、集中在三角波频率 及其倍频及其倍频 、 的附近，幅值最高影响也最大的是角频率为的附近，幅值最高影响也最大的是角频率为 的谐波分量，的谐波分量，随着倍频的增高其附近的谐波幅值越来越小。随着倍频的增高其附近的谐波幅值越来越小。（2 2）当载波比较高）当载波比较高( (大于大于8)8)时，谐波分量的幅值基本与载波比无时，谐波分量的幅值基本与载波比无关。关。（3 3）调制度越大，总的谐波畸变率越小。因此，为了有效地抑）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。值。cr2c3crckncc

27、Power Electronicsv 三相公用一个载波信号的三相三相公用一个载波信号的三相SPWMSPWM波，波， 其输出线电压中所包含的谐波角频率其输出线电压中所包含的谐波角频率 为为 ，式中，式中，n n=1=1，3 3，5 5，时时 k k=3=3（2 2m m-1-1）1 1，其中，其中m m=1=1，2 2，； n n=2=2，4 4，6 6，时，时，v 没有载波角频率没有载波角频率 整数倍的谐波。幅值较高的整数倍的谐波。幅值较高的 为为 、 次。次。 其中其中 次谐波频率较低，因此影响也较大。次谐波频率较低，因此影响也较大。v SPWMSPWM波形中所含的谐波主要是角频率为波形中所

28、含的谐波主要是角频率为 、 及其及其附近频率的谐波。一般附近频率的谐波。一般 ，SPWMSPWM波形中的主要谐波波形中的主要谐波的频率要比基波频率高得多。的频率要比基波频率高得多。,mm, mm21 1610 16k2crcrnk2crcrc2cr2ccPower Electronics6.2.6 SPWM模式优化技术模式优化技术vSPWMSPWM模式的优化技术，就是根据某一特定目标将模式的优化技术，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，形成通过查表或其他方式输出，形成SPWMSPWM波形。优化波形

29、。优化SPWMSPWM模式所追求的目标有谐波畸变率最小、电压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。利用率最高、开关次数最少、电机转矩脉动最小等。v常用的优化方法常用的优化方法: :v谐波消去法谐波消去法v提高电压利用率提高电压利用率降低开关次数降低开关次数Power Electronicsv （1 1）谐波消去法）谐波消去法v 波形需四分之一对称以消除偶次谐波及波形需四分之一对称以消除偶次谐波及 余弦项余弦项 v 在三相对称电路的线电压中，相电压所含在三相对称电路的线电压中，相电压所含3 3次谐波相互次谐波相互抵消，因此可以考虑消去抵消，因此可以考

30、虑消去5 5次和次和7 7次谐波次谐波 )()(tutu)()(tutu, 5 , 3 , 1sin)(nntnatu20sin)(4ttdntuan, 5 , 3 , 1 )cos2cos2cos21 (2sin)2(sin2sin)2(sin2432120332211nnnnnUttdnUttdnUttdnUttdnUadddddn 0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321732153211dddUaUaUaan=0Power Electronicsv 一般来说，如果在输出电压的半个周期开关器件开通一般

31、来说，如果在输出电压的半个周期开关器件开通和关断各和关断各k k次，则共有次，则共有k k个自由度可以控制，除用一个个自由度可以控制，除用一个自由度来控制基波幅值外，可以消除自由度来控制基波幅值外，可以消除k-1k-1种谐波种谐波 。Power Electronicsv （2 2）提高电压利用率）提高电压利用率v 三相三相SPWMSPWM逆变电路，调制度为最大值逆变电路，调制度为最大值1 1时，时，直流电压的利直流电压的利用率仅为用率仅为0.8660.866，其原因是在线性调制范围内，正弦调制，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，采用这种正弦波信号的幅值不能超

32、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率比0.8660.866还要低。还要低。v 为了提高直流电压利用率，可采用为了提高直流电压利用率，可采用梯形波梯形波作为调制信号。作为调制信号。但梯形波中含有但梯形波中含有5 5次、次、7 7次等低次谐波，故调制后的次等低次谐波，故调制后的PWMPWM波中也含有同样的低次谐波，这是采用梯形波的缺点。理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论分析证明，当梯形波的三角化率（梯形波的高除以梯（梯形波的高除以梯形波两腰延长后

33、相交所形成的三角形的高）取形波两腰延长后相交所形成的三角形的高）取0.40.4时，综合时，综合效果较好，即谐波含量相对来说较少，效果较好，即谐波含量相对来说较少，直流电压利用率为直流电压利用率为1.031.03。Power Electronicsv 在三相在三相SPWMSPWM逆变器中，如果在相电压正弦波调制信逆变器中，如果在相电压正弦波调制信号中叠加适当大小的号中叠加适当大小的3 3次谐波，使之成为次谐波，使之成为鞍形波鞍形波，那，那么当鞍形波的最大幅值等于三角载波幅值时，鞍形波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。鞍形波经过中将含有更大的基波正弦分量。鞍

34、形波经过PWMPWM调调制后，逆变电路输出的相电压中也包含制后，逆变电路输出的相电压中也包含3 3次谐波，且次谐波，且三相的三次谐波相位相同，在合成线电压时，三相的三次谐波相位相同，在合成线电压时，3 3次谐次谐波相互抵消，线电压为正弦波。波相互抵消，线电压为正弦波。Power Electronicsv （3 3）降低开关次数）降低开关次数v 降低开关次数可以降低开关损耗，提高降低开关次数可以降低开关损耗，提高 效率。效率。v 设需要调制输出的三相正弦信号分别为设需要调制输出的三相正弦信号分别为 u urArA、 u urBrB 、 u urCrC ，令，令u upApA =-min =-mi

35、n（ u urArA， u urBrB ， u urCrC ）v 令三相的调制信号分别为令三相的调制信号分别为v 可以看出可以看出u urArA、 u urBrB、 u urCrC、中总有、中总有1/31/3周期的值是和三角周期的值是和三角波负峰值是相等的，其值为波负峰值是相等的，其值为1 1。prCrCprBrBprArAuuuuuuuuuPower Electronicsv 这种控制方式的优点是：这种控制方式的优点是：v 在信号波的在信号波的1/31/3周期内开关器件不动作，可使开关损周期内开关器件不动作，可使开关损耗减少耗减少1/31/3；v 最大输出线电压基波幅值为直流侧电压，直流电压

36、利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用率提高了1515；v 相电压中相应于的谐波分量相互抵消，输出线电压中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。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，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，但是控制比较复杂也可以提高电压利用率，但是控制比较复杂。 Power Electronicsv （4 4）电机转矩脉动最小）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，也可角度的入手。另外，减小逆变器输

37、出谐波，也可以减小电机转矩脉动。以减小电机转矩脉动。Power Electronics6.36.3空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制v SVPWMSVPWM（Space Vector PWMSpace Vector PWM）是空间矢量脉宽调制）是空间矢量脉宽调制技术的简称。技术的简称。SVPWMSVPWM把电动机与把电动机与PWMPWM逆变器看为一逆变器看为一体，体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电机中的理，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，想磁链圆为

38、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。圆，即用多边形来近似逼近圆形。v 理论分析和实验都表明理论分析和实验都表明SVPWMSVPWM控制控制具有转矩脉动小，具有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高（比普通噪音低，直流电压利用率高（比普通SPWMSPWM调制约高调制约高1515）等优点。目前已在通用变频器产品中得到了广等优点。目前已在通用变频器产品中得到了广泛的应用。泛的应用。Power Electronicsv 三相电压型逆变器带电机负载正常工作时的特点是，每三相电压型逆变器

39、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条件的三相逆变器开关模式共有8 8种，如果用种，如果用“1”1”表示表示一相的上桥臂导通，用一相的上桥臂导通，用“0”0”表示该相的下桥臂导通，表示该相的下桥臂导通，8 8种开关模式分别为种开关模式分别为S S1 1（100100）、）、S S2 2（101101）、）、S S3 3（110110）、）、S S4 4（011011）、）、S S5 5（001001）、）、S S6 6（010010）、）、S S7 7（000000）、）、S

40、 S8 8（111111）。）。 v 三相电压的合成空间矢量三相电压的合成空间矢量v 8 8种开关模式下，逆变器输出电压的空间矢量为：种开关模式下，逆变器输出电压的空间矢量为：UeueueuUjcjbja343208 , 7 06 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1 3231kkeVVkjdckPower Electronicsv 在在S S7 7（000000）、）、S S8 8（111111）两种状态）两种状态下，逆变器输出电压为下，逆变器输出电压为0 0，称为零，称为零矢量。其它矢量。其它6 6种开关模式对应的电种开关模式对应的电压矢量为有效矢量，它们幅值相等，压矢量为有效矢量，它们

41、幅值相等，均等于均等于2/3U2/3Udcdc，相位互差，相位互差/3/3。6 6个有效矢量将整个矢量空间分为个有效矢量将整个矢量空间分为6 6个区域，称为扇区。连接个区域，称为扇区。连接6 6个有效个有效矢量的端点，则形成一个正六边形，矢量的端点，则形成一个正六边形，称为空间矢量六边形称为空间矢量六边形 。Power Electronicsv 假设在某一采样时刻参考电压矢量假设在某一采样时刻参考电压矢量 v 最大调制时，最大调制时，SVPWMSVPWM输出的相电压的基波峰值为输出的相电压的基波峰值为 ，线电压的基波峰值则为线电压的基波峰值则为 。 v SVPWMSVPWM的线性工作区比常规的

42、线性工作区比常规SPWMSPWM高高15.7415.74，即即SVPWMSVPWM的线性调制比可达的线性调制比可达1.15471.1547，这意味着，这意味着SVPWMSVPWM比常规比常规SPWMSPWM有更宽的线性工作范围，此时输出线电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。最大值。refrefUUUdUdUrefsin32 )60sin(32refrefUVdUVdDCUVV32600 /sin3/ )60sin(3DCrefDCrefUUdUUd )()1(VtVtdtUssTnnTref)6

43、cos(3DCrefUUsTtt3/DCrefUU3/DCUDCUPower Electronics6.4 6.4 跟踪型跟踪型PWMPWM v 跟踪型跟踪型PWMPWM不是用载波对信号波进行调制，而是把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。跟踪参考信号。v 跟踪型跟踪型PWMPWM常用的控制方式是滞环比较器方式

44、。电常用的控制方式是滞环比较器方式。电压跟踪型压跟踪型PWMPWM控制和电流跟踪型控制和电流跟踪型PWMPWM控制实现原理控制实现原理相同，电流追踪控制应用的最多。相同，电流追踪控制应用的最多。Power Electronics6.4.1 6.4.1 单相电流跟踪型单相电流跟踪型PWMPWMv 把参考电流把参考电流I I * *和实际输出和实际输出 电流电流I I 进行比较，两者的进行比较，两者的 偏差偏差i i（=I I * *i i）作为带）作为带 有滞环特性的比较器的输有滞环特性的比较器的输 入，通过其输出来控制晶体管入，通过其输出来控制晶体管VTVT1 1和和VTVT2 2的通断。当的

45、通断。当VTVT1 1导通时，导通时，I I 增大，当增大，当VTVT2 2导通时，导通时，I I 减小。减小。v 用用H H表示滞环比较器的环宽，当表示滞环比较器的环宽，当|i i |H H时，滞环比较时，滞环比较器输出保持不变；当器输出保持不变；当|i i |H H时，滞环比较器输出翻转。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，假设后面的驱动电路和主电路无延时，I I 就在偏差为就在偏差为H H的的（I I * *+ +H H）和（）和（I I * *H H）的范围内呈锯齿状地跟踪参考电）的范围内呈锯齿状地跟踪参考电流流i i* *。Power Electronics滞环

46、环宽的宽度（滞环环宽的宽度（2 2H H）：）：环宽过宽时，开关动作频率较环宽过宽时，开关动作频率较低，但跟踪误差较大；环宽过窄时，跟踪误差减小低，但跟踪误差较大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开，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。和负载串联的器件允许的工作频率范围。和负载串联的电抗器电抗器L L用来限用来限制制i i的变化率的变化率。当。当L L过大时，过大时，I I 的变化率过小，对参考电流的变化率过小，对参考电流I I * *的响应变慢；当的响应变慢；当L L过小时，过小时，I I 的变化的变化

47、率过大，偏差率过大，偏差i i 频频繁地达到繁地达到H H，开关动作频率过高。，开关动作频率过高。Power Electronics6.4.26.4.2三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWMPWMv 可看出，在线电压波形的半个周期内，有极性相反的可看出，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负载的谐波损耗增加. .Power Electronicsv 采用滞环比较方式的电流跟踪型采用滞环比较方式的电流跟踪型PWMPWM逆变电路有如逆变电路有如下优点：下优点：v 硬件电路简单；硬件电路简单；

48、v 属于实时控制方式，电流响应很快；属于实时控制方式，电流响应很快；v 不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；v 相比其它方法，同一开关频率下输出电流中所含的谐相比其它方法，同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多；波较多； 属于闭环控制。属于闭环控制。Power Electronicsv 滞环比较器固定滞环的缺点滞环比较器固定滞环的缺点：v 当当I I 的变化范围较大的情况下，的变化范围较大的情况下，v 在在I I 值较小的时段，输出电流的相对跟踪误差过大，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；输出波形

49、中的低频谐波成份增多；v 在在I I 值较大且变化率较大的时段，又可能使器件的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，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。给滤波造成困难。Power Electronicsv 解决办法：解决办法：（1 1）可将滞环比较器的宽度）可将滞环比较器的宽度H H设计成可随设计成可随I I 的大小而自的大小而自动调节；动调节； （2 2）可采用定时控制方式的电流跟踪型）可采用定时控制方式的电流跟踪型PWMPWM

50、控制。控制。Power Electronicsv 跟踪型跟踪型PWMPWM三角波比较方式三角波比较方式: :v 把调制参考信号和实际输出信号之间的偏差，通过放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，产生大器放大后，再去和三角波进行比较，产生PWMPWM波波形，控制电力电子器件的开关形，控制电力电子器件的开关。此处放大器常具有比。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。踪性能。v 在三角波比较方式中，电力电子器件的开关频率固定，在三角波比较方式中，电力电子器件的开关频率固定，等于

51、载波频率，谐波滤波相对来说较为容易。为了改等于载波频率，谐波滤波相对来说较为容易。为了改善输出电压波形，在三相善输出电压波形，在三相PWMPWM电路中，三角载波常电路中，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，角波控制方式输出电流所含的谐波少，因此，常用于常用于对谐波和噪声要求严格的场合对谐波和噪声要求严格的场合。Power Electronics6.5 6.5 减小谐波的措施减小谐波的措施v 减小谐波的措施可分为两类减小谐波的措施可分为两类： 一类称为一类称为被动措施被动措施，即针对变换器输出的，即针对变换器输出的PWMPWM波形，波形，采用外部措施，来消除或减小采用外部措施，来消除或减小PWMPWM波形中的谐波分波形中的谐波分量，常用的有无源滤波器法和有源滤波器法；量，常用的有无源滤波器法和有源滤波器法；Power Electronicsv另一类称为另一类称为主动措施主动措施，即在生成，即在生成PWMPWM波形时，采用波形时，采用优化硬件电路结构或优化软件算法的措施，使生成优