新能源汽车功率电子基础（第2版）课件：脉宽调制与闭环控制

脉宽调制与闭环控制

目录4.1脉冲宽度调制（PWM）原理

直流斩波、正弦脉宽调制（SPWM）4.2电路状态平均

伏秒平衡、荷电平衡4.3系统闭环控制

典型控制结构、双反馈闭环调节器4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—PWM信号类型

图4.1中心对称型、边沿对称型PWM信号曲线示意图中心对称左边沿对称右边沿对称占空比

4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—PWM信号发生图4.2

PWM信号发生电路:a)中心对称型PWM,b)左边沿型PWM,c)右边沿型PWMa)b)c)图4.3

PWM信号发生电路波形a)中心对称型PWM定时器

b)中心对称型PWM波形c)左边沿型PWM定时器

d)左边沿型PWM波形e)右边沿型PWM定时器f)右边沿型PWM波形Tp=0.1s，δ=60%4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—直流斩波a)b)图4.4

电阻负载的PWM斩波控制a)斩波电路,b)斩波曲线Ub=48V，RL=2Ω，Tp=0.01s，δ=50%电路参数

平均功率

占空比

平均电压

感性电路的脉冲响应

4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—面积等效原理图4.6感性电路及其脉冲电压a)感性电路,b)电压窄脉冲a)b)面积相同c)图4.7电压窄脉冲及其感性电路的电流响应曲线a)电压窄脉冲,b)10μs响应,c)500μs响应b)a)冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性环节,其效果基本相同.Ut,sin=12V,R=10mΩ,L=1μH,Δt=5μs.4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—SPWMSPWM波形与正弦波脉冲面积等效、按正弦规律发生宽度变化的电压矩形脉冲序列。图4.8面积等效原理脉冲序列:a)正弦波脉冲,b)SPWM脉冲a)b)s(k)w(k)4.1脉冲宽度调制（PWM）原理—SPWM案例图4.9正弦、矩形电压脉冲序列作用下的惯性负载电流响应a)正弦波18等分,b)正弦波90等分u=14sin314t(V),udc=42V,R=100mΩ,L=1mH4.2电路的状态平均—基本概念Tp开关波形示意图开关周期状态平均算子其中，x(t)为功率电子电路的状态变量，Tp为PWM周期。周期稳定状态（PSS） 当每个PWM开关周期完成后，功率电子电路的状态回到起点和终点的相同的一点，此时功率电子电路进入了周期稳定状态（PeriodStabilityState，PSS）。欧姆定律状态平均的KVL回路方程状态平均的KCL节点方程4.2电路的状态平均—电路定律电感特性方程电容特性方程结论（1）开关周期平均算子适用于描述电阻、电感和电容的特性方程，即欧姆定律。（2）开关周期平均算子适用于描述电路的KVL和KCL定理。4.2电路的状态平均—伏秒平衡图4.11感性负载的直流斩波电路及其电感电压积分模型的变量波形:a,e)门极信号;b,f)电感电压;

c,g)电感电压积分;

d,h)电感电流.图4.10感性负载的直流斩波电路及其电感电压积分模型方程

4.2电路的状态平均—荷电平衡图4.12

容性负载的直流斩波电路及其电容电流积分模型图4.13

容性负载的直流斩波电路及其电容电流积分模型的变量波形:a,e)门极信号;b,f)电容电流;

c,g)电容电流积分;

d,h)电容电压.方程

4.3系统闭环控制—典型控制结构a)b)图4.14功率电子系统的基本控制结构a）PWM控制器 b）开关控制器4.3系统闭环控制—典型控制结构应用案例（1.1）图4﹣15动力电池加热控制系统原理图图4﹣16动力电池加热控制系统结构图4.3系统闭环控制—典型控制结构应用案例（1.2）图4﹣17动力电池外部加热控制系统的变量波形a,c,e）门极信号;

b,

d,f）负载电流参考信号和测量信号对象模型控制器模型4.3系统闭环控制—双反馈闭环结构图4.19纯电动汽车高低压DC/DC变换器控制系统的双闭环调节器结构图4.18功率电子系统的能量流分布4.3系统闭环控制—双反馈闭环结构应用案例（1.1）图4.20双闭环调节器的动力电池外部加热控制系统原理图4.3系统闭环控制—双反馈闭环结构应用案例（1.2）图4.21双闭环调节器的动力电池加热控制系统结构图图4.22双闭环调节器的动力电池加热控制系统的响应曲线本章知识点PWM信号类型与占空比

（1）PWM信号分为左边沿、右边沿和中心对称型三种类型；

（2）PWM信号占空比是指高电平脉宽时间与其周期之比的百分数。脉宽调制原理（1）直流斩波指将直流信号转换为一宽度可调的脉冲序列的电路。（2）SPWM指将一直流转换为脉冲宽度随着正弦变化的脉冲序列的技术。电路状态平均

（1）伏秒平衡指PWM周期稳定状态的电感电压状态平均为0；

（2）荷电平衡指PWM周期稳定状态的电容电流的状态平均为0。系统闭环控制

（1）PWM