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1、6-17.1 PWM控制的基本原理1）重要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7-1 7-1 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 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1页/共38页6-27.1 PWM控制的基本思想b)图图7-2 7-2 冲量相等的各冲量相等的各种窄脉冲的响应波形种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”a）u(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。i(t)输出电流，是电路的响应。低频段非常接近，
2、仅在高频段略有差异。第2页/共38页6-3Outt若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例系数改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Outt2）如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？Out正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等第3页/共38页6-4Ow wtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：波为：Ow wtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式
3、在实际应用中更为广泛。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。第4页/共38页6-5等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第4章的直流斩波电路章的直流斩波电路 7.2节的节的PWM逆变电路逆变电路 7.4节的节的PWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是输入电源是交流或不是恒定的直流恒定的直流 Ow wtUd-UdUot第5页/共38页6-63）PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。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:l 所需波形 l 等效的PWMPWM波第6页/共38页
4、6-77.2 PWM逆变电路及其控制方法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。第7页/共38页6-87.2.1 计算法和调制法1）计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWMPWM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PWMPWM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。不适合在线控制运行，实时性差。适合离线方式，计算好存储起来，用时候再调用。第8页/共38页6-92）
5、调制法把希望输出波形作调制信号，把接收调制的信号作为载 波，通过信号波的调制得到期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等 效的PWM波第9页/共38页6-10工作时工作时V1和和V2通断互补，通断互补，V3和和V4通断也互补通断也互补以以uo正半周为例，正半周为例，V1通，通，V2断，断，V3和和V4交替通断。交替通断。负
6、载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V1和和V4导通，导通，uo等于等于Ud。V4关断关断V3开通后，开通后，io从从V1和和VD3续流，续流，uo=0。uo总可得到总可得到Ud和零两种电平。和零两种电平。图7 74 4 单相桥式PWMPWM逆变电路结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV1V4V1VD3VD2VD3V2V3V2VD4VD1VD4V1V4第10页/共38页6-11uo负半周，让V2保持通，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，
7、一段区间为负。tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouoV1V4V1VD3VD2VD3V2V3V2VD4VD1VD4V1V4第11页/共38页6-123）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）ur正半周正半周，V1保持保持通通，V2保持保持断断。当当uruc时使时使V4通，通，V3断，断，uo=Ud。当当uruc时使时使V4断，断，V3通，通，uo=0。图7-5 7-5 单极性PWMPWM控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3断，V4通，uo=
8、0。第12页/共38页6-13urucuOwtOwtuouofuoUd-Udu像这种在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式(也称三点式或三电平脉宽调制方式)u单极性PWM控制方式其基波与原正弦波同频率，谐波仍存在。脉冲个数越多，正弦脉宽变化越平滑，则越逼近正弦，谐波亦越小，即开关频率高，则波形好，滤波也容易。第13页/共38页6-144）双极性PWM控制方式在在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWMPWM波也有正波也有正有负，其幅值只有有负，其幅
9、值只有U Ud d两种电平。两种电平。同样在调制信号同样在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。正负半周，对各开关器件的控制规律相同。图7-6 7-6 双极性PWMPWM控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Ud第14页/共38页6-15当当ur uc时时，给，给V1和和V4导通信号，给导通信号，给V2和和V3关断信号。关断信号。如如io0，V1和和V4通，如通，如io0，VD1和和VD4通，通，uo=Ud。当当uruc时时，给，给V2和和V3导通信号，给导通信号，给V1和和V4
10、关断信号。关断信号。如如io0，VD2和和VD3通，通，uo=-Ud。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 在PWM控制波形中，正半周，正面积大于负面积，平均值为正，在每个等份上的正负面积之代数和（平均面积）按正弦规律变化即符合面积的等效原理。第15页/共38页6-167.2.1 计算法和调制法图7-6 7-6 双极性PWMPWM控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Ud图7-5 7-5 单极性PWMPWM控制方式波形urucuOw wtOw wtuouofuoUd-Udu在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只
11、在单个极性范围变化u正半周，V1通，ur uc时V4通，V3断;uruc时V4通，V3断;uruc时，V1、V4通，V2、V3断 uruc时，V1、V4断，V2、V3通l电平：只有Ud两种电平第16页/共38页6-175）三相桥PWM型逆变电路（采用双极性PWM控制方式）图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 三相的PWM控制公用一个三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120 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。第17页/共38页6-18下面以U相为例分析控制规律：输出相电压
12、（输出端相对于输出相电压（输出端相对于直流电源中性点的电压）直流电源中性点的电压）uUN、uVN和和uWN的的PWM波波形只有形只有Ud/2两种电平。两种电平。u 输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成；u 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。第18页/共38页6-19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。即在给一个桥臂施加关断信号后，再延迟一段时间（死区时间）才给另一个桥臂施加导通信号。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
13、弦波。第19页/共38页6-206）特定谐波消去法（属于计算法）(Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），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。图7-9 特定谐波消去法的输出PWM波形Ow wtuoUd-Ud2p pp pa1a2a3第20页/共38页6-21首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(7-1)其其次次，为为消消除除谐谐波波中中余余弦弦项项，应应使使波波形形在在正正半半周周期期内前后内前后1/4周期以周期以/2为轴线对称为轴线
14、对称 (7-2)同同时时满满足足式式（7-1）、（7-2）的的波波形形称称为为四四分分之之一一周周期对称波形，用傅里叶级数表示为期对称波形，用傅里叶级数表示为 (7-3)式中，式中，an为为第21页/共38页6-22图7-9，能独立控制a a1、a a 2和a a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,Ow wtuoUd-Ud2p pp pa1a2a3确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5)，就可建三个方程，求得a a1、a a2和a a3。图7-9 特定谐波消去法的输出PWM波形第22页/共38页6-23消去两种特定频率的谐波在三相对称电路的线电压中，相电压
15、所含的3次谐波相互抵消。可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：给定a1，解方程可得a a1、a a2和a a3。a1变，a a1、a a2和a a3也相应改变。（75）第23页/共38页6-24一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k1个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。第24页/共38页6-257.2.2 异步调制和同步调制根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。通常
16、保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的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载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式第25页/共38页6-26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 在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。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
17、波保持同步，即N等于常数。N=fc/fr第26页/共38页6-27ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud图7-10 同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，基本同步调制方式，fr变化时变化时N不变，信号波一周期内输出不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载三相电路中公用一个三角波载波，且取波，且取N为为3的整数倍，使的整数倍，使三相输出对称。三相输出对称。为使一相的为使一相的PWM波正负半周波正负半周镜对称，镜对称，N应取奇数。应取奇数。fr很低时，很低时，fc也很低，由调制也很低，由调制带来的谐波不易滤除。带来的谐波不易滤除
18、。fr很高时，很高时，fc会过高，使开关会过高，使开关器件难以承受。器件难以承受。第27页/共38页6-283）分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用把整个把整个fr范围划分成若干个范围划分成若干个频段，每个频段内保持频段，每个频段内保持N恒恒定，不同频段的定，不同频段的N不同。不同。在在fr高高的的频频段段采采用用较较低低的的N，使使载载波波频频率率不不致致过过高高；在在fr低低的的频频段段采采用用较较高高的的N，使使载波频率不致过低。载波频率不致过低。为防止为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时
19、容易实现。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。果接近。图7-11 7-11 分段同步调制方式举例 第28页/共38页6-297.2.3 规则采样法1）自然采样法：按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成PWM波的方法，称为自然采样法。其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。ucuOturTcADBOtuotA
20、tDtBd dd d d d 2d d2d d图7-12 规则采样法 2）规则采样法）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样工程实用方法，效果接近自然采样法，计算法，计算量小得多。量小得多。第29页/共38页6-30三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。规则采样法使每个脉冲的中点以相应的三角波中点为对称，在三角波的负峰值时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点做一水平线和三角波分别交于A点和B点，在A点tA和B点时刻tB控制功率开关的通断，使计算大为减化。脉冲宽度d 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
21、-12 规则采样法 第30页/共38页6-317.3 PWM跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法跟踪控制方法。即把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，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。第31页/共38页6-327.3.1 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*+D D Ii*-D D Ii*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基本原理把指令电流把指令电流i*和实际输出电流和实际输
22、出电流i的偏差的偏差i*-i作为滞环比较器的输作为滞环比较器的输入，通过其输出控制功率器件入，通过其输出控制功率器件V1、V2的通断。的通断。V1（或（或VD1）通时，）通时，i增大增大V2（或（或VD2）通时，）通时，i减小减小通过环宽为通过环宽为2D DI的滞环比较器的滞环比较器的控制，的控制，i就在就在i*+D DI和和i*-D DI的的范围内，呈锯齿状地跟踪指令范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流电流i*。第32页/共38页6-33和负载串联的平波电抗器和负载串联的平波电抗器L可起到限制电流变化率的作用可起到限制电流变化率的作用L大时，大时，i的变化率小，跟踪慢；的变化率小，跟踪慢；L小时，
23、小时，i的变化率大，开关频率过高。的变化率大，开关频率过高。tOiii*+D D Ii*-D D Ii*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，甚至会超过开关器件的允许频率范围，开关损耗增大。第33页/共38页6-342)三相电流跟踪型PWM逆变电路图7-27 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形图7-26 三相电流跟踪型PWM逆变电路第34页/共38页6-353)采用滞环比较方式的电流跟踪型PWMPWM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
24、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PWMPWM变流电路的共同特点。第35页/共38页6-36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7-28 电压跟踪控制电路举例4)采用滞环比较方式实现电压跟踪控制 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。第36页/共38页6-37第7章 PWM控制技术 小结PWMPWM控制技术的基本原理（面积等效）PWMPWM逆变电路的控制方法计算法调制法单极性PWMPWM控制方式双极性PWMPWM控制方式同步和异步调制法；分段同步调制自然采样法和规则采样法跟踪法（滞环比较方式）控制原理特点第37页/共38页6-38感谢您的观看！第38页/共38页