第7章 脉宽调(PWM)技术

引言

7.1PWM控制的基本原理

7.2PWM逆变电路及其控制方法

7.3PWM跟踪控制技术

7.4PWM整流电路及其控制方法

本章小结第7章PWM控制技术（PWMTechniques）

逆变变换（直流交流）tui(t)tuo(t)第7章PWM控制技术（PWMTechniques）

PWM控制与逆变的关系？交流负载供电逆变电路蓄电池、干电池、太阳能电池2应用举例——交流电动机变频调速系统第7章

PWM控制技术（PWMTechniques）

逆变电路M50Hz+_Ud整流电路交直交变频器主电路

核心部分

PWM控制技术是逆变电路中的核心技术3PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：7.1PWM控制的基本原理（BasicprinciplesofPWM

）Ouωt>Ouωt>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（含形状和幅值)。PWM波41）重要理论基础——面积等效原理Theequalareatheorem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。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)窄脉冲的面积5效果基本相同环节的输出响应波形基本相同b)图7-2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)－输出电流，是电路的响应。

RLOuωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2)如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？6Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2)如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？7OwtUd-Ud一个完整周期的等效PWM波：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为如下PWM波：7.1PWM控制的基本原理

BasicprinciplesofPWM单极性SPWM双极性SPWM83)能否等效成其他的波形？7.1PWM控制的基本原理

BasicprinciplesofPWMt0u直流波形

所需波形

等效的PWM波交流波形9目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。本节内容构成了本章的主体。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。7.2PWM逆变电路及其控制方法

PWMInvertersandcontroltechniques采用PWM控制原理如何实现逆变？OwtUd-Udtui(t)Ud逆变?7.2PWM逆变电路及其控制方法

PWMInvertersandcontroltechniques10OwtUd-Ud+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio例：单相电压型PWM逆变电路OwtuouofUd-Ud如何在负载上获得SPWM波？双极性SPWM波7.2PWM逆变电路及其控制方法

PWMInvertersandcontroltechnique117.2.1计算法和调制法1.逆变电路的控制方法——计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM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PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。Ouωt>Ouωt>Ouωt>urucuOwt2.逆变电路的控制方法——调制法调制信号载波信号12

信号波载波UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurur调制电路当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如何获得控制信号？wtSPWM波+Ud-Ud1)双极性PWM控制方式（单相逆变桥）urucuOwt2.逆变电路的控制方法——调制法

信号波载波UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurur调制电路调制O

OuG1,4uG2,3wt控制负载电压+Ud-UdSPWM波13调制电路的作用2）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）

ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud

;当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0。图7-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

信号波载波UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurur调制电路2.逆变电路的控制方法——调制法单极性调制方式与双极性调制方式对比图7-6双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。思考：（1）如何变频？（2）与直流斩波电路的关系？7.2.1计算法和调制法3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图7-7三相桥式PWM型逆变电路三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°7.2.1计算法和调制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图7-7三相桥式PWM型逆变电路

图7-8三相桥式PWM逆变电路波形

下面以U相为例分析控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。urUuuUN’-UdO?tOOO?t?t?t?t?t2Ud32Ud3）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）urVucurW2UduVN’O2Ud2UduWN’O2Ud2UduUVUduUN3Ud当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2。当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2。uUV波形可由uUN’-uVN’得出。7.2.1计算法和调制法输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud图7-7三相桥式PWM型逆变电路

图7-8三相桥式PWM逆变电路波形

三相SPWM逆变桥控制系统原理图7.2.1计算法和调制法7.2.2异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/frurucuOwt根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。7.2.2异步调制和同步调制通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式urucuOwt在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。7.2.2异步调制和同步调制异步调制的特点：urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。2）同步调制7.2.2异步调制和同步调制——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。7.2.2异步调制和同步调制ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud图7-10同步调制三相PWM波形三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。7.2.2异步调制和同步调制3）分段同步调制——异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。图7-11分段同步调制方式举例

在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。7.2.2异步调制和同步调制3）分段同步调制同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。7.2.3规则采样法根据调制法原理，求取正弦波和三角波的自然交点，从而获得相应的脉宽和脉冲间隔时间，生成SPWM波，控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。1）自然采样法：urucuOwtwtSPWM波+Ud-Ud自然采样法urucuOwt调制信号载波信号wtSPWM波+Ud-Ud自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。但这种方法要求计算机求解复杂的超越方程，需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。7.2.3规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图7-12规则采样法2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。7.2.3规则采样法三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc

。采样时刻取三角载波的负峰值处，找到此时刻正弦调制波上的对应点，即图中的D点，过D点作一水平线与三角载波相交于A、B两点，以tAB作为脉冲的宽度。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

规则采样法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d图7-12规则采样法7.2.3规则采样法规则采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(7-7)a称为调制度，0≤a<1；wr为信号波角频率从图7-12得,(7-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d1-17.2.3规则采样法3）三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d´U、d´

V和d´

W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(7-6)得

由式(7-7)得利用以上两式可简化三相SPWM波的计算(7-8)(7-9)7.3PWM跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法——跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。7.3PWM跟踪控制技术

7.3.1滞环比较方式

7.3.2三角形比较方式

7.3.1滞环比较方式1)跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。tOiii*+DIi*-DIi*图7-23滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-22滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。tOiii*+DIi*-DIi*图7-23滞环比较方式的指令电流和输出电流图7-22滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环环宽电抗器L的作用7.3.1滞环比较方式7.3.1滞环比较方式2)三相的情况图7-25三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图7-24三相电流跟踪型PWM逆变电路7.3.1滞环比较方式3)

采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点：（1）硬件电路简单。（2）实时控制，电流响应快。（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。7.3.1滞环比较方式4)采用滞环比较方式实现电压跟踪控制把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。图7-26电压跟踪控制电路举例7.3.1滞环比较方式和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。图7-26电压跟踪控制电路举例第七章PWM控制技术