電力電子技術(shù)第七章PWM控制技術(shù)

1、第7章 PWM控制技術(shù) 7.1 PWM控制的基本原理 7.2 PWM逆變電路及其控制方法 7.3 PWM跟蹤控制技術(shù) 2/60引言引言PWMPWM（Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。幅值）。第第5 5章的直流斬波電路實(shí)際上采用的就是章的直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWMPWM技術(shù)，第技術(shù)，第6 6章中涉及到章中涉及到PWMPWM控

2、制控制技術(shù)的地方有兩處，一處是第技術(shù)的地方有兩處，一處是第6.16.1節(jié)中的斬控式交流調(diào)壓電路，另一處是第節(jié)中的斬控式交流調(diào)壓電路，另一處是第6.46.4節(jié)矩陣式變頻電路。節(jié)矩陣式變頻電路。 PWMPWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻，控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWMPWM型逆變電路型逆變電路。 3/607.1 PWM7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理面積等效原理面積等效原理 是是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 原理內(nèi)容

3、：原理內(nèi)容：沖量相等沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其時(shí)，其效果基本相同效果基本相同。 沖量即指窄脈沖的面積。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。僅在高頻段略有差異。 實(shí)例實(shí)例 將圖將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的所示的R-L電路電路上，設(shè)其電流上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸

4、出，圖為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時(shí)給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。的響應(yīng)波形。 圖圖7-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖圖7-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 4/607.1 PWM7.1 PWM控制的基本原理控制的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 將正弦半波看成是由將正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖個(gè)彼此相連的脈沖寬度為寬度為 /N，但幅值頂部是，但幅值頂部是曲線曲線且大小按且大小按正弦正弦規(guī)律變化規(guī)律變化的脈沖序列組成的。的脈沖序列組成的。 把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的把上述脈沖序列利用

5、相同數(shù)量的等幅而不等幅而不等寬等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形波形。 對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到法得到PWM波形。波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的效的PWM波形，也稱波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。 PWM波形可分為波形可分為等幅等幅PWM波波和和不等幅不

6、等幅PWM波波兩種，由直流電源產(chǎn)生的兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常波通常是等幅是等幅PWM波。波?；诘刃娣e原理，基于等效面積原理，PWM波形還可以等效波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。交流波形等。 圖圖7-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 5/607.2 PWM7.2 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 7.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法 7.2.2 7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制 7.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 7.2.4 PWM7.2.4

7、PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 6/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法計(jì)算法 根據(jù)逆變電路的根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率正弦波輸出頻率、幅值幅值和半個(gè)周期內(nèi)和半個(gè)周期內(nèi)的的脈沖數(shù)脈沖數(shù)，將，將PWM波形中各脈沖的波形中各脈沖的寬度寬度和和間隔間隔準(zhǔn)確計(jì)算準(zhǔn)確計(jì)算出來，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，出來，按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法。波形，這種方法稱之為計(jì)算法。 計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相

8、位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。 調(diào)制法調(diào)制法 把希望輸出的波形作為把希望輸出的波形作為調(diào)制信號調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號，把接受調(diào)制的信號作為作為載波載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的，通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。波形。 通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或鋸齒波鋸齒波作為載波，其中等腰三作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。角波應(yīng)用最多。 7/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 單相橋式單相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）逆變電路（調(diào)制法） 電路工作過程電路工作過程 工作時(shí)工作時(shí)V1和和V

9、2通斷互補(bǔ)通斷互補(bǔ)，V3和和V4通斷也通斷也互補(bǔ)互補(bǔ)，比如在，比如在uo正半周，正半周，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，V2關(guān)斷，關(guān)斷，V3和和V4交替通斷。交替通斷。 負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。 在負(fù)載電流為正的區(qū)間，在負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和和V4導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uo=Ud。 V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過V1和和VD3續(xù)流，續(xù)流，uo=0。 在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為V1和和V4導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，因通時(shí)，因io為負(fù)，故為負(fù)，故io實(shí)際上從實(shí)際上從VD1和和VD4

10、流過，流過，仍有仍有uo=Ud。 V4關(guān)斷，關(guān)斷，V3開通后，開通后，io從從V3和和VD1續(xù)流，續(xù)流，uo=0。 uo總可以得到總可以得到Ud和零兩種電平。和零兩種電平。 在在uo的負(fù)半周，讓的負(fù)半周，讓V2保持通態(tài)，保持通態(tài)，V1保持?jǐn)啾３謹(jǐn)鄳B(tài)，態(tài)，V3和和V4交替通斷，負(fù)載電壓交替通斷，負(fù)載電壓uo可以得到可以得到-Ud和和零零兩種電平。兩種電平。 阻感負(fù)載阻感負(fù)載8/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 圖圖7-5 單極性單極性PWM控制方式波形控制方式波形

11、單極性單極性PWM控制方式控制方式 調(diào)制信號調(diào)制信號ur為正弦波，載波為正弦波，載波uc在在ur的的正半周為正半周為正極性正極性的三角波，在的三角波，在ur的負(fù)半周的負(fù)半周為為負(fù)極性負(fù)極性的三角波。的三角波。 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通態(tài)，保持通態(tài)，V2保持保持?jǐn)鄳B(tài)。斷態(tài)。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)使時(shí)使V4導(dǎo)通，導(dǎo)通，V3關(guān)斷，關(guān)斷， uo=Ud。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)使時(shí)使V4關(guān)斷，關(guān)斷，V3導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=0。 在在ur的負(fù)半周，的負(fù)半周，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持保持通態(tài)。通態(tài)。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)使時(shí)使V3關(guān)斷，關(guān)斷，V4導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=0。 9/607.2.1 7.2.1 計(jì)

12、算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法urucuOw wtOw wtuouofuoUd- -Ud圖圖7-4 單相橋式單相橋式PWM逆變電路逆變電路 圖圖7-6 雙極性雙極性PWM控制方式波形控制方式波形 雙極性雙極性PWM控制方式控制方式 在調(diào)制信號在調(diào)制信號ur和載波信號和載波信號uc的的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。 在在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的波有正有負(fù)，所得的PWM波也是波也是有正有負(fù)，在有正有負(fù)，在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸?shù)囊粋€(gè)周期內(nèi)，輸出的出的PWM波只有波只有Ud兩種電平。兩種電平。 在在ur的正負(fù)半周，對各開關(guān)器的正負(fù)半周

13、，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。件的控制規(guī)律相同。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)，時(shí)，V1和和V4導(dǎo)通，導(dǎo)通，V2和和V3關(guān)斷，這時(shí)如關(guān)斷，這時(shí)如io0，則，則V1和和V4通，如通，如io0，則，則VD1和和VD4通，不管通，不管哪種情況都是哪種情況都是uo=Ud。 當(dāng)當(dāng)uruc時(shí)，時(shí)，V2和和V3導(dǎo)通，導(dǎo)通，V1和和V4關(guān)斷，這時(shí)如關(guān)斷，這時(shí)如io0，則，則VD2和和VD3通，不管通，不管哪種情況都是哪種情況都是uo=-Ud。 10/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 三相

14、橋式三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制逆變電路（調(diào)制法）法） 采用雙極性控制方式。采用雙極性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通控制通常公用一個(gè)三角波載波常公用一個(gè)三角波載波uc，三相的，三相的調(diào)制信號調(diào)制信號urU、urV和和urW依次相差依次相差120。 11/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法電路工作過程（電路工作過程（U U相為例）相為例） 當(dāng)當(dāng)u urUrUuuc c時(shí)，上橋臂時(shí)，上橋臂V V1 1導(dǎo)通，下橋臂導(dǎo)通，下橋臂V V4 4關(guān)斷，則關(guān)斷，則U U相相對于直流電源假想中點(diǎn)相相對于直流電源假想中點(diǎn)NN的輸出電壓的輸出電壓u uUNUN=U=Ud d/

15、2/2。 當(dāng)當(dāng)u urUrUuuc c時(shí)，時(shí)，V V4 4導(dǎo)通，導(dǎo)通，V V1 1關(guān)斷，則關(guān)斷，則u uUNUN=-U=-Ud d/2/2。 V V1 1和和V V4 4的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。 當(dāng)給當(dāng)給V V1 1(V(V4 4) )加導(dǎo)通信號時(shí)，可能是加導(dǎo)通信號時(shí)，可能是V V1 1(V(V4 4) )導(dǎo)通，也可能是二極管導(dǎo)通，也可能是二極管VDVD1 1(VD(VD4 4) )續(xù)流導(dǎo)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。 u uUNUN、u uVNVN和和u uWNWN的的PWMPWM波形都只有波形都只有U Ud d/2

16、/2兩種電平。兩種電平。 圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 12/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法圖圖7-7 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 圖圖7-8 三相橋式三相橋式PWM逆變電路波形逆變電路波形 輸出線電壓輸出線電壓PWM波由波由Ud和和0三種電平三種電平構(gòu)成。構(gòu)成。 當(dāng)臂當(dāng)臂1和和6導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uUV=Ud。 當(dāng)臂當(dāng)臂3和和4導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uUV=Ud。 當(dāng)臂當(dāng)臂1和和3或臂或臂4和和6導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，uUV=0。 負(fù)載相電壓負(fù)載相電壓uUN可由下式求得可由下式求

17、得 3WNVNUNUNUNuuuuu負(fù)載相電壓的負(fù)載相電壓的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5種電平組成。種電平組成。 為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的加關(guān)斷信號的死區(qū)時(shí)間死區(qū)時(shí)間。 13/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法圖圖7-9 特定諧波消去法的輸出特定諧波消去法的輸出PWM波形波形 特定諧波消去法特定諧波消去法 是是計(jì)算法計(jì)算法中一種較有代表性的方法。中一種較有代表性的方法。 如果在輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)

18、斷各如果在輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)斷各k次，考慮到次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，共有波四分之一周期對稱，共有k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制，除去用一個(gè)個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制，除去用一個(gè)自由度來控制基波幅值外，可以自由度來控制基波幅值外，可以消去消去k1個(gè)頻率的特定諧波個(gè)頻率的特定諧波。 以三相橋式以三相橋式PWM型逆變電路中的型逆變電路中的uUN波形為例波形為例 在輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)，器件開通和關(guān)斷各在輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)，器件開通和關(guān)斷各3次（不包括次（不包括0和和時(shí)刻），共有時(shí)刻），共有6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制。個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制。 14/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和

19、調(diào)制法為了消除偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩半周期鏡對稱，即為了消除偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩半周期鏡對稱，即 )()(wwtutu為了消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計(jì)算過程，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)為了消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計(jì)算過程，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后前后1/4周期以周期以 /2為軸線對稱，即為軸線對稱，即 )()(tutuww同時(shí)滿足式同時(shí)滿足式(7-1)和式和式(7-2)的波形稱為的波形稱為四分之一周期對稱波形四分之一周期對稱波形，這種，這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為波形可用傅里葉級數(shù)表示為,5,3, 1sin)(nntnatuww式中，式中，an為為20dsin)(4wwwttntuan(7-1)

20、(7-2)(7-3)15/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法圖圖7-9 特定諧波消去法的輸出特定諧波消去法的輸出PWM波形波形 因?yàn)閳D因?yàn)閳D7-9的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個(gè)周期內(nèi)的的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個(gè)周期內(nèi)的12個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不包括個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不包括0和和 時(shí)刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有時(shí)刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有 1、 2和和 3共共3個(gè)時(shí)刻，該波形的個(gè)時(shí)刻，該波形的an為為 )cos2cos2cos21 (2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211wwwwwwwwnnnnUttnUttnUttnUttnUadd

21、dddn(7-4)16/607.2.1 7.2.1 計(jì)算法和調(diào)制法計(jì)算法和調(diào)制法在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因次諧波相互抵消，因此通?？梢钥紤]消去此通常可以考慮消去5次和次和7次諧波次諧波，根據(jù)需要確定基波分量，根據(jù)需要確定基波分量a1的值，的值，再令再令a5和和a7等于等于0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立可求得，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立可求得 1、 2和和 3。 0)7cos27cos27cos21 (720)5cos25cos25cos21 (52)cos2cos2cos21 (2321d7321d5321d1UaUaUa 這樣

22、可以消去這樣可以消去兩種特定頻率的諧波兩種特定頻率的諧波，對于給定的基波幅值，對于給定的基波幅值a1，求解，求解上述方程可得一組上述方程可得一組 1、 2和和 3，基波幅值，基波幅值a1改變時(shí)，改變時(shí)， 1、 2和和 3也相應(yīng)也相應(yīng)地改變。地改變。 (7-5)17/607.2.2 7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制載波頻率載波頻率fc與調(diào)制信號頻率與調(diào)制信號頻率fr之比之比N= fc/fr稱為載波比，根據(jù)載波和信稱為載波比，根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式可分為調(diào)制方式可分為異步調(diào)制異步調(diào)制和和同步調(diào)制同步調(diào)制兩種。兩種。

23、 異步調(diào)制異步調(diào)制 載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。 通常保持載波頻率通常保持載波頻率fc固定不變固定不變，因而當(dāng)信號波頻率，因而當(dāng)信號波頻率fr變化變化時(shí)，載波時(shí)，載波比比N是變化的是變化的。 在信號波的半個(gè)周期內(nèi)，在信號波的半個(gè)周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。周期的脈沖也不對稱。 當(dāng)當(dāng)fr較低較低時(shí)，時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多

24、，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，利影響都較小，PWM波形接近正弦波。波形接近正弦波。 當(dāng)當(dāng)fr增高增高時(shí)，時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱脈沖不對稱的影響就變大，輸出的影響就變大，輸出PWM波和正弦波的差異變大，對于三相波和正弦波的差異變大，對于三相PWM型型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。 在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。波頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比。 18/607.2.2 7.2.2

25、 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud 2Ud圖圖7-10 同步調(diào)制三相同步調(diào)制三相PWM波形波形 同步調(diào)制同步調(diào)制 載波比載波比N等于常數(shù)，并在變頻等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號波保持同步的方式時(shí)使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。稱為同步調(diào)制。 fr變化變化時(shí)載波比時(shí)載波比N不變不變，信號波，信號波一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，一個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。脈沖相位也是固定的。 在三相在三相PWM逆變電路中，通逆變電路中，通常公用一個(gè)三角波載波，為了使三常公用一個(gè)三角波載波，為了使三相輸出波形嚴(yán)

26、格對稱和一相的相輸出波形嚴(yán)格對稱和一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，取波正負(fù)半周鏡對稱，取N為為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)的整數(shù)倍且為奇數(shù)。 當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的同步調(diào)制時(shí)的fc也很低，也很低，fc過低時(shí)過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時(shí)也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩載為電動機(jī)時(shí)也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率脈動和噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的fc會過高，會過高，使開關(guān)器件難以承受。使開關(guān)器件難以承受。 19/607.2.2 7.2.2 異步調(diào)制和同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制圖圖7

27、-11 分段同步調(diào)制方式舉例分段同步調(diào)制方式舉例 分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制 把把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比頻段內(nèi)都保持載波比N為恒定，不同頻為恒定，不同頻段的載波比不同。段的載波比不同。 在在fr高高的頻段采用的頻段采用較低的載波比較低的載波比，以使以使fc不致過高，限制在功率開關(guān)器件不致過高，限制在功率開關(guān)器件允許的范圍內(nèi)。允許的范圍內(nèi)。 在在fr低的頻段采用低的頻段采用較高的載波比較高的載波比，以使以使fc不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。 為了防止為了防止fc在切換點(diǎn)附近的來回跳在切換點(diǎn)附近的來回跳動，在各頻率切換

28、點(diǎn)采用了動，在各頻率切換點(diǎn)采用了滯后切換滯后切換的的方法。方法。 有的裝置在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)有的裝置在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，而在高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。來，和分段同步方式的效果接近。 實(shí)線表示實(shí)線表示輸出頻率輸出頻率增高時(shí)的增高時(shí)的切換頻率切換頻率虛線表示虛線表示輸出頻率輸出頻率降低時(shí)的降低時(shí)的切換頻率切換頻率 20/607.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d圖圖7-1

29、2 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。波形的方法稱為自然采樣法。 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 是一種應(yīng)用較廣的是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法工程實(shí)用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。自然采樣法小得多。 方法說明方法說明 取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期采樣周期Tc，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相，使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）為對稱。應(yīng)的三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）

30、為對稱。 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信對正弦信號波采樣而得到號波采樣而得到D點(diǎn)，過點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于直線和三角波分別交于A點(diǎn)和點(diǎn)和B點(diǎn)，在點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻tA和和B點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開關(guān)器件控制功率開關(guān)器件的通斷。的通斷。 可以看出，用這種規(guī)則采樣法得可以看出，用這種規(guī)則采樣法得到的到的脈沖寬度脈沖寬度d d和用自然采樣法得到的和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。脈沖寬度非常接近。 21/607.2.3 7.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBd dd d d d 2d d2d d圖圖7-12 規(guī)

31、則采樣法規(guī)則采樣法 d d和和d d的確定的確定 設(shè)正弦調(diào)制信號波為設(shè)正弦調(diào)制信號波為 taurrwsin 式中，式中，a稱為調(diào)制度，稱為調(diào)制度，0aw wr r，是很容易濾除的。，是很容易濾除的。 當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波，而是其它波形時(shí)，其諧波由兩部分組成，當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波，而是其它波形時(shí)，其諧波由兩部分組成，一部分是對信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波對一部分是對信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。 27/607.3 PWM7.3 PWM跟蹤控制技術(shù)跟蹤控制技術(shù) 7.3.1 7.3.1 滯環(huán)比較方

32、式滯環(huán)比較方式 7.3.2 7.3.2 三角波比較方式三角波比較方式28/607.3.1 7.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式圖圖7-24 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tOiii*+D D Ii*- -D D Ii*圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流出電流 跟蹤控制方法：把希望輸出的電跟蹤控制方法：把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號，把實(shí)流或電壓波形作為指令信號，把實(shí)際電流或電壓波形作為反饋信號，際電流或電壓波形作為反饋信號，通過通過兩者的瞬時(shí)值比較兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)電路各功

33、率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號變化際的輸出跟蹤指令信號變化滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 電流跟蹤控制電流跟蹤控制應(yīng)用最多。應(yīng)用最多。 PWM電流跟蹤控制單相半橋電流跟蹤控制單相半橋式逆變電路式逆變電路 把把指令電流指令電流i*和和實(shí)際輸出電實(shí)際輸出電流流i的偏差的偏差i*-i作為帶有滯環(huán)特性的作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件功率器件V1和和V2的通斷。的通斷。 電抗器電抗器29/607.3.1 7.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式控制規(guī)律控制規(guī)律 當(dāng)當(dāng)V V1 1（或（或VDVD1 1）導(dǎo)通時(shí)，）導(dǎo)通時(shí)，i i增大。增大。 當(dāng)當(dāng)V

34、V2 2（或（或VDVD2 2）導(dǎo)通時(shí)，）導(dǎo)通時(shí)，i i減小。減小。 通過環(huán)寬為通過環(huán)寬為2 2I I的滯環(huán)比的滯環(huán)比較器的控制，較器的控制，i i就在就在i i* *+ +I I和和i i* *- -I I的范圍內(nèi)，呈的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀鋸齒狀地地跟蹤指令電流跟蹤指令電流i i* *。環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。關(guān)損耗增大。L L大時(shí)，大時(shí)，i i的變化率小，跟蹤慢；的變化率小，跟蹤慢；L L小時(shí)，小時(shí)，i i的變化率大，開關(guān)頻的變化率大，開關(guān)頻率過高。率

35、過高。圖圖7-24 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tOiii*+D D Ii*- -D D Ii*圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 30/607.3.1 7.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式圖圖7-26 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 由三個(gè)單相半橋電路組成，三相由三個(gè)單相半橋電路組成，三相電流指令信號電流指令信號i*U、i*V和和i*W依次相差依次相差120。 在線電壓

36、的正半周和負(fù)半周內(nèi)，在線電壓的正半周和負(fù)半周內(nèi)，都有極性相反的脈沖輸出，這將使都有極性相反的脈沖輸出，這將使輸輸出電壓中的諧波分量出電壓中的諧波分量增大，也使增大，也使負(fù)載負(fù)載的諧波損耗的諧波損耗增加。增加。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)變流電路有如下特點(diǎn) 硬件電路簡單。硬件電路簡單。 實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。 不用載波，輸出電壓波形中不含不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。特定頻率的諧波。 和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。

37、屬于屬于閉環(huán)控制閉環(huán)控制，是各種跟蹤型，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)。變流電路的共同特點(diǎn)。31/607.3.1 7.3.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式圖圖7-28 電壓跟蹤控制電路舉例電壓跟蹤控制電路舉例 電壓跟蹤控制電壓跟蹤控制 把把指令電壓指令電壓u*和和輸出電壓輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾進(jìn)行比較，濾除偏差信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。 輸出電壓輸出電壓PWM波形中含大量波形中含大量高次諧波高次諧波，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除

38、。，必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。 u*=0時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓u為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵振蕩電為頻率較高的矩形波，相當(dāng)于一個(gè)自勵振蕩電路。路。 u*為直流信號為直流信號時(shí)，時(shí)，u產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù)脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。 u*為交流信號為交流信號時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵振蕩頻率，從時(shí)，只要其頻率遠(yuǎn)低于上述自勵振蕩頻率，從u中濾中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧波后，所得的波形就幾乎和u* 相同，從而相同，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。32/60

39、7.3.2 7.3.2 三角波比較方式三角波比較方式圖圖7-29 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路 三角波比較方式三角波比較方式 把指令電流把指令電流i*U、i*V和和i*W和逆變和逆變電路實(shí)際輸出的電流電路實(shí)際輸出的電流iU、iV、iW進(jìn)行進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過比較，求出偏差電流，通過放大器放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生生PWM波形。波形。 放大器放大器A通常具有通常具有比例積分特性比例積分特性或比例特性或比例特性，其系數(shù)直接影響著逆變，其系數(shù)直接影響著逆變電路的電流跟蹤特性。電路的電流跟蹤特性。 特點(diǎn)特點(diǎn) 開

40、關(guān)頻率固定，等于載波頻率，開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。 為改善輸出電壓波形，三角波為改善輸出電壓波形，三角波載波常用載波常用三相三角波三相三角波載波。載波。 和滯環(huán)比較控制方式相比，這和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。種控制方式輸出電流所含的諧波少。33/607.3.2 7.3.2 三角波比較方式三角波比較方式定時(shí)比較方式定時(shí)比較方式 不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘固定的時(shí)鐘。 以以固定的采樣周期固定的采樣周期對指令信號和被控制變量進(jìn)行采樣，并對指令信號和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)二者偏差的極性來控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控根據(jù)二者偏差的極性來控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。制量跟蹤指令信號。 以單相半橋逆變電路為例，在時(shí)鐘信號到來的采樣時(shí)刻以單相半橋逆變電路為例，在時(shí)鐘信號到來的采樣時(shí)刻 如如i i i i* *，V V1 1關(guān)斷，關(guān)斷，V V2 2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使i i減小。減小。 每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令電流的誤差減小。減小。 采用定時(shí)比較方式