脉宽调制技术教案

脉宽调制技术教案第三章脉宽调制(PWM)技术

引言

3.1PWM的基本原理

3.2SPWM的调制原理

3.3SPWM的调制方法

3.4SPWM的实现

3.5SVPWM的原理及实现本章小结第2页,共42页，2024年2月25日，星期天引言说明：PWM的思想源于通信技术，全控型器件的发展促进了PWM技术的应用和完善；PWM技术在逆变电路中的成功应用确定了它在电力电子技术中的重要地位；PWM技术以其对波形调制的灵活性和通用型，在电力电子领域得到了广泛的应用，成为电力变换器控制的基础。PWM(PulseWidthModulation)指脉宽调制技术：——通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（含形状和幅值)。第3页,共42页，2024年2月25日，星期天3.1PWM的基本原理理论基础面积等效原理——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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1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)第4页,共42页，2024年2月25日，星期天3.1PWM的基本原理PWM的调制思想如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>

固定幅值，使波形调制方案更具可实现性第5页,共42页，2024年2月25日，星期天3.1PWM的基本原理PWM的调制原理如何改变正弦波形幅值？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>按同一比例改变各脉冲宽度如何改变正弦波形频率？在脉冲周期不变的条件下，改变脉冲个数第6页,共42页，2024年2月25日，星期天3.1PWM的基本原理SPWM的调制单极性SPWM—对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形。OwtUd-Ud双极性SPWM—根据面积等效原理，正弦波还可等效为右图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-Ud第7页,共42页，2024年2月25日，星期天3.1PWM的基本原理小结PWM波可等效的各种波形直流斩波电路直流波形

SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:

所需波形

等效的PWM波第8页,共42页，2024年2月25日，星期天3.2SPWM的调制原理注：

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。

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SPWM波形。SPWM生成的基本思想第9页,共42页，2024年2月25日，星期天3.2SPWM的调制原理SPWM生成的计算方法——特定谐波消去法波形设计：输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3一种较有代表性的方法第10页,共42页，2024年2月25日，星期天3.2SPWM的调制原理特定谐波消去法——波形计算首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期对称，即其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称同时满足上两式的波形，用傅里叶级数表示为式中：第11页,共42页，2024年2月25日，星期天3.2SPWM的调制原理特定谐波消去法——波形计算能独立控制a1、a

2和a

3共3个时刻,该波形的an为OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3式中n=1,3,5,…低次谐波幅值大第12页,共42页，2024年2月25日，星期天将两种特定频率谐波的幅值设计为0，形成两个独立方程特定谐波消去法——波形计算在三相对称电路中，相电压所含的3次谐波相互抵消。可设计消去5次和7次谐波，则正弦波幅值3.2SPWM的调制原理a1、a2和a3待求解的量？还需要两个独立方程可得a1、a2和a3。第13页,共42页，2024年2月25日，星期天特定谐波消去法——小结3.2SPWM的调制原理一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐波。k的取值越大，消去的特定谐波越多，波形越理想，但开关时刻的计算越复杂。

有没有更好的产生SPWM的方法？这种方法能够取很大的k值又无需复杂的计算第14页,共42页，2024年2月25日，星期天单极性SPWM的调制方法——单相桥逆变3.3SPWM的调制方法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。ur负半周，V1保持断，V2保持通——当ur>uc时，使V4通，V3断，uo=0；——当ur<uc时，使V4断，V3通，uo=-Ud。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc交点时刻控制IGBT的通断第15页,共42页，2024年2月25日，星期天双极性SPWM的调制方法——单相桥逆变3.3SPWM的调制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断特点：在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3关断——io>0时，V1和V4工作，uo=Ud；——io<0时，VD1和VD4工作，uo=Ud

。当ur>uc时，V2和V3导通，V1和V4关断——io<0时，V2和V3工作，uo=-Ud

；——io>0时，VD2和VD3工作，uo=-Ud

。第16页,共42页，2024年2月25日，星期天双极性调制和单极性调制的比较3.3SPWM的调制方法urucuOwtOwtuouofuoUd-UdurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

对照两图可见，单极性调制和双极性调制都适用于单相桥式电路。由于对开关器件通断控制的规律不同，两种调制方式存在差异：1、输出波形有较大的差别；2、一个正弦周期的开关损耗不同；3、产生IGBT驱动信号的难易程度不同。第17页,共42页，2024年2月25日，星期天3.3SPWM的调制方法三相SPWM的调制方法三相的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°第18页,共42页，2024年2月25日，星期天3.3SPWM的调制方法三相SPWM——U相分析urUu0t00000ttttturVucurWuUN’0.5Ud-0.5UduVN’uWN’Ud-UduUVuUN2Ud/3Ud/3相电压分析：urU>uc时，V1通，V4断，uUN’=Ud/2；urU<uc时，V4通，V1断，uUN’=-Ud/2；uUN’、uVN’和uWN’的波形只有±Ud/2电平。线电压分析：uUV波形由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。线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成。负载相电压分析：负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。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会给输出的PWM波带来影响。注：第19页,共42页，2024年2月25日，星期天同步调制和异步调制1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持fc固定不变2）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3.3SPWM的调制方法第20页,共42页，2024年2月25日，星期天规则采样法为什么提出规则采用法？按照SPWM的基本原理，SPWM波的生成方法被称为自然采样法。这种方法最大的问题是：用软件算法不易实现在工程应用中很少采用自然采样法工程应用中，采用软件生成SPWM是主流方向3.4PWM的实现第21页,共42页，2024年2月25日，星期天规则采样法——一种工程实用方法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d方法—脉冲中点D时刻的ur采样值与三角波比较，确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。特点—脉冲宽度d

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；—计算大为减化。设三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc3.4PWM的实现第22页,共42页，2024年2月25日，星期天3.4PWM的实现闭环方法滞环比较方式跟踪控制方法—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。三角波比较方式第23页,共42页，2024年2月25日，星期天3.5SVPWM的原理及实现SVPWM？

空间矢量脉宽调制最初来源：电机的控制问题新的观点：正弦波逆变器的几何方法方法：借助于坐标变换(clark和park变换)，建立三相静止坐标系与同步旋转坐标系的联系，进而建立圆旋转的空间矢量与三相正弦波的联系，通过实现圆旋转的空间矢量，生成三相SPWM。MichaelJ.Ryan等，98年第24页,共42页，2024年2月25日，星期天单相逆变器结构特点电路结构特征：2个桥臂输出电压：结构分析：每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用Sa=1描述)；—桥臂下开关通(用Sa=0描述)。逆变器共有4种开关状态—SaSb：00，01，10，11。开关状态与电压的关系3.5SVPWM的原理及实现结构特点两个桥臂电压Vag和Vbg分别独立可控——控制存在两个自由度；由于连接了负载，输出电压Vab具有唯一性——只有一个自由度。如何分析两维的桥臂电压和一维的输出电压之间的联系？第25页,共42页，2024年2月25日，星期天几何分析方法矢量空间桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别代表两个垂直方向——桥臂电压空间；输出电压只有一个自由度，构成一维空间

——输出电压空间。3.5SVPWM的原理及实现桥臂电压和输出电压的联系采用投影方式建立联系；开关状态(00)，(11)形成的两个桥臂电压——对应一个输出电压(0V)。这一投影具有唯一性第26页,共42页，2024年2月25日，星期天投影关系V0是零序电压逆变器控制方法V0*为一定范围的任意数注：

V0*取常数（如Vi）时，Vag和Vbg的驱动波形可以设计。例：Vab*取0.5Vi，V0*取ViVag取0.75Vi，Vbg取0.25Vi3.5SVPWM的原理及实现V0*取其他值会怎样？V0*有没有一个取值原则？

第27页,共42页，2024年2月25日，星期天3.5SVPWM的原理及实现三相逆变器结构特点结构特征：3个桥臂电路特征：结构分析：每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用Sa=1描述)；—桥臂下开关通(用Sa=0描述)。逆变器共有8种开关状态，—SaSb：000，001，010，

011，100，101，110，111。结构特点三个桥臂电压Vag、Vbg和Vcg分别独立可控——控制存在三个自由度；由于连接了负载，输出电压Van、Vbn和Vcn存在耦合关系——只有两个自由度。开关状态与桥臂电压的关系如何分析三维桥臂电压和两维输出电压之间的联系？第28页,共42页，2024年2月25日，星期天几何分析方法矢量空间桥臂电压构成三维空间，三个自由度分别代表三个垂直方向——桥臂电压空间；输出电压只有两个自由度，构成两维空间——输出电压空间。3.5SVPWM的原理及实现桥臂电压和输出电压的联系采用投影方式建立联系；开关状态(000)，(111)形成的两个桥臂电压——对应一个输出电压矢量点(Van,Vbn,Vcn)=(0,0,0)。这一投影具有唯一性第29页,共42页，2024年2月25日，星期天投影关系3.5SVPWM的原理及实现根据实际情况自动调整投影比例开关状态与输出电压的关系第30页,共42页，2024年2月25日，星期天解耦投影关系(Clark变换)3.5SVPWM的原理及实现V0是零序电压第31页,共42页，2024年2月25日，星期天电压变换关系逆变器控制方法V0*取03.5SVPWM的原理及实现Vd*和Vq*如何设计？第32页,共42页，2024年2月25日，星期天3.5SVPWM的原理及实现—SVPWM思想开关状态与电压矢量的关系电压矢量的空间位置Um–Umt02

uAuCuB电压矢量轨迹第33页,共42页，2024年2月25日，星期天3.5SVPWM的原理及实现SVPWM的思想：

对一个给定理想参考电压矢量，用这8种开关状态逼近它。电压矢量如何实现？待解决问题：参考矢量由开关状态矢量合成—哪几个开关状态矢量？—如何合成？—如何实现这种矢量合成？第34页,共42页，2024年2月25日，星期天三相SVPWM思想—3号扇区为例

的合成：由、、、合成。相邻矢量零矢量合成构思：T0为0或7矢量工作时间3.5SVPWM的原理及实现第35页,共42页，2024年2月25日，星期天3.5SVPWM的原理及实现待解决问题哪一扇区各矢量工作时间开关驱动SVPWM实现步骤1：扇区的确定步骤2：矢量的分解步骤3：驱动波形的生成输入：空间矢量的坐标

输出：驱动开关管的信号

第36页,共42页，2024年2月25日，星期天三相SVPWM的实现——扇区的确定3.5SVPWM的原理及实现没有111V（6）011III（5）101IV（4）001I（3）110VI（2）010II（1）100没有000扇