电气传动与PWM技术

第五章

PWM驱动与电气传动PWM技术概述

基于三角载波的PWM技术优化PWM生成技术电压空间矢量PWM电流闭环PWM永磁同步电机伺服系统感应电机伺服系统

5.1.1电压型逆变器的空间电压矢量

及PWM原理开关状态Sc

Sb

Sa

逆变器输出电压vco

vbo

vao

0000-E/2-E/2-E/21001-E/2-E/2E/22010-E/2E/2-E/23011-E/2E/2E/24100E/2-E/2-E/25101E/2-E/2E/26110E/2E/2-E/27111E/2E/2E/2开关状态Sc

Sb

Sa

电机端部电压vc

vb

va

逆变器输出电压vco

vbo

vao

0000000-E/2-E/2-E/21001-E/3-E/32E/3-E/2-E/2E/22010-E/32E/3-E/3-E/2E/2-E/23011-2E/3E/3E/3-E/2E/2E/241002E/3-E/3-E/3E/2-E/2-E/25101E/3-2E/3E/3E/2-E/2E/26110E/3E/3-2E/3E/2E/2-E/27111000E/2E/2E/2vao=va+vnovbo=vb+vno

vco=vc+vno

va+vb+vc=0

vno=(vao+vbo+vco)/3电机端部电压vc

vb

va

逆变器输出电压vco

vbo

vao

000-E/2-E/2-E/2-E/3-E/32E/3-E/2-E/2E/2-E/32E/3-E/3-E/2E/2-E/2-2E/3E/3E/3-E/2E/2E/22E/3-E/3-E/3E/2-E/2-E/2E/3-2E/3E/3E/2-E/2E/2E/3E/3-2E/3E/2E/2-E/2000E/2E/2E/2i开关状态Sc

Sb

Sa

电机端部电压vc

vb

va

电压矢量vi

0000000v0=01001-E/3-E/32E/3v1=2E/32010-E/32E/3-E/3v2=E(-1+j)/33011-2E/3E/3E/3v3=E(1+j)/341002E/3-E/3-E/3v4=E(-1-j)/35101E/3-2E/3E/3v5=E(1-j)/36110E/3E/3-2E/3v6=-2E/3

7111000v7=0vi=2(va+a

vb+a2vc)/3

开关状态Sc

Sb

Sa

电压矢量vi

0000v0=01001v1=2E/32010v2=E(-1+j)/33011v3=E(1+j)/34100v4=E(-1-j)/35101v5=E(1-j)/36110v6=-2E/3

7111v7=0180

供电v1→v3→v2→v6→v4→v5→v1

v1→v5→v4→v6→v2→v3→v1

PWM供电180供电的缺点谐波含量大电压幅值不可控5.1.2PWM技术的性能指标

最大电压调制系数

m=V1m/V1(180)

电流畸变系数d=Ih

rms/Ihrms(180)

谐波频谱hk=Ik

rms

/Ihrms(180)

开关频率与开关损耗通态损耗

Pon=g1(Von,iL)动态损耗

Pdyn=f0

g2(E,iL)5.1.3死区时间及其补偿

理想开关非理想开关存储时间Ts安全延时Td第五章

PWM驱动与电气传动PWM技术概述基于三角载波的PWM技术

优化PWM生成技术电压空间矢量PWM电流闭环PWM永磁同步电机伺服系统感应电机伺服系统

va*=Msin(t),

vb*=Msin(t-2/3),

vc*=Msin(t+2/3)

5.2.1自然采样法

硬件实现：开关频率高，灵活性差软件实现：开关频率低，灵活性好FPGA实现5.2.2对称规则采样法

va*=Msin(t)5.2.3非对称规则采样法

采样频率提高了一倍，这使得系统的动态响应特性得到改善，同时输出电流的谐波畸变也得到改善。

5.2.4参考波的生成

微机中三角函数的计算耗时，影响开关频率的提高：离线把三角函数值算好以表格的形式存于ROM中；在启动时的初始化阶段将三角函数值先算好，以表格的形式存于RAM中；储存三角函数所需的内存、输出波形的精度以及生成参考波的效率；360

、180

及90的储存方法；指针的移动与插值5.2.5同步调制

异步调制：参考波频率变化，载波频率f0=1/T0是恒定不变

次谐波的产生N=f0/f1

同步调制：一定的输出频率f1的变化范围内，使N保持恒定三相时，N一般选择为3的倍数采样点的电角度是事先确定的，储存的三角函数表的函数值可根据频率比N来选择

开关元件的开关频率和微机控制系统能达到的采样频率都是有限的。因此，在输出基波频率f1较低时，N可以取得大一些，而随着f1的增大，应逐步减小N，从而使开关器件的开关频率限制在一定的范围之内。

如：非对称规则采样法中：5.2.6基于专用集成电路的PWM技术提高采样频率；实现复杂的控制算法实现故障诊断

……采用PWM专用集成电路，减轻微机的负担：

HEF4572等TMS320-2xxxFPGA与EDAEDA-ElectronicDesignAutomation电子电路原理图设计、PCB设计、仿真等。以计算机为工具，在EDA软件平台上，利用硬件描述语言描述设计系统，完成逻辑编译逻辑综合与优化、逻辑布线、逻辑仿真、适配编译、逻辑映射和下载设计人员按照“自顶向下”的原则进行方案设计和功能划分，然后采用硬件描述语言HDL进行系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。第五章

PWM驱动与电气传动PWM技术概述基于三角载波的PWM技术优化PWM生成技术

电压空间矢量PWM电流闭环PWM永磁同步电机伺服系统感应电机伺服系统

大功率PWM逆变器工作在较低的开关频率下，一个基波周期内的脉冲数很有限，在每一个基波周期有限的几个开关角k=2f1kT=kT

的微小变化将导致逆变器输出电流谐波畸变的可观的变化。

优化目标：消除特定谐波；输出电流中总的谐波畸变最小；负载(如电机)的效率最高；……

离线优化与在线优化5.3.1离线优化PWM方法

优化目标：消除逆变器输出电压中某几次特性的谐波。

输出电压是周期函数，可用傅里叶级数表示为：

vao的正半周和负半周对称，即有vao(t)=-

vao(t+)

n为偶数时：an=0bn=0n为奇数时：即vao的波形关于四分之一周期对称，或vao(t)=vao(-t)

：若进一步地有

k=-2m-k+1,k=1,2,...,m

这样an就是n次谐波的幅值。令a1=VM(输出电压基波幅值)其它任意m-1个an(n=3,5,7,9,...)等于零，就可得到m个方程。解这m个方程可以求得一组满足1<2<...<m的开关角k(k=1,2,...,m)。

例：m=5。可以令a1=VM

，a5=0，a7=0，a11=0，a13=0选择消除5、7、11和13次谐波。得到5个方程：解这一组方程就可得到一组开关角1-5的值，从而确定输出电压幅值为M的PWM输出波形。输出电压中不含5，7，11，13次谐波。

超越方程离线解建表1=1，2=2-1，3=3-2，4=4-3，5=5-4建表：M:12345

5.3.2在线的准优化方法

当M=1,或

va*=sin(kT)时，得到最大输出电压基波分量的幅值E/2：参考电压是纯正弦波，直流环节的电压E没有得到充分利用。

相电压上的零序分量不出现在线电压上。可通过在参考电压上注入零序谐波分量提高电压调制系数：va*=M1sin(t)+M3sin(3t)vb*=M1sin(t-2/3)+

M3sin(3t)vc*=M1sin(t+2/3)+

M3sin(3t)

M3/M1=1/6提高15.5%第五章

PWM驱动与电气传动PWM技术概述基于三角载波的PWM技术优化PWM生成技术电压空间矢量PWM

电流闭环PWM永磁同步电机伺服系统感应电机伺服系统

ψ=V/ω=V/2πf1

正弦供电时，电压向量v和磁链向量的轨迹是一个圆磁链的幅值取决与电压幅值与频率之比180˚控制逆变器供电时，电压轨迹是正六边形

电压或磁链轨迹与圆的距离越大，谐波含量越高变频器工作于开关状态，其输出电压轨迹不可能是一个圆用多边形逼近理想圆？磁链矢量增量的幅度为

在电压矢量v的作用下，增量的方向就是电压v的方向

5.4.1控制原理

用N边形逼近理想磁链圆。将整个圆周N等分，磁链矢量通过一个等分耗时异步调制：T=常数同步调制：N=常数=6k同步调制时，各等分占据的电角度180˚供电时，磁链轨迹分区与主、辅电压矢量t=kT时的磁链第k等份第k等份与y轴夹角t=(k+1)T时的磁链区域I控制目的：通过主、辅和零电压矢量的作用，使磁链矢量从起点运动到终点，运动轨迹与弦AB尽量重合。运动速度为ω控制的实现：确定τm和τl

，或计算AC和CD的长度。5.4.2控制算法

T=2τm

+2τl+2τ0

磁链矢量运动速度的要求：插入零矢量小步开关模式定时时间1001τm2000τ031012τl4111τ05001τm5.4.3控制的实现第五章

PWM驱动与电气传动PWM技术概述基于三角载波的PWM技术优化PWM生成技术电压空间矢量PWM电流闭环PWM

永磁同步电机伺服系统感应电机伺服系统

5.5.1外加电流环的电流闭环PWM

5.5.2电流滞环PWM

第五章

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感应电机伺服系统

5.6.1永磁同步电机的