SPWM和SVPWM控制

1、第第3部分部分 SPWM和和SVPWM控制控制3.1 电压型电压型PWM逆变器的基本工作原理逆变器的基本工作原理3.1.1单相电压型单相电压型PWM逆变器及其控制方法逆变器及其控制方法图图3-3 单极性脉宽调制输出电压和电流波形单极性脉宽调制输出电压和电流波形4.1.2三相电压型三相电压型PWM逆变器及其控制方法逆变器及其控制方法 图图3-6三相桥式逆变器主电路三相桥式逆变器主电路三相逆变器控制方法三相逆变器控制方法 图图3-7 三相逆变器三相逆变器PWM波形波形3.2 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称，简称PWM）

2、技术是当前电压型逆变器中主要的波形生成技术。技术是当前电压型逆变器中主要的波形生成技术。对于一般工业应用，以对于一般工业应用，以PWM为核心的逆变器，是由二为核心的逆变器，是由二极管桥式整流恒压供电，用控制脉冲列的调制周期和极管桥式整流恒压供电，用控制脉冲列的调制周期和脉冲宽度来实现输出频率和电压的调节。随着具有自脉冲宽度来实现输出频率和电压的调节。随着具有自关断能力半导体功率开关器件、微型计算机和微电子关断能力半导体功率开关器件、微型计算机和微电子技术的迅速发展，使得技术的迅速发展，使得PWM逆变器的开关频率不断提逆变器的开关频率不断提高，输出电流波形更接近正弦波或使电动机磁场更接高，输出电

3、流波形更接近正弦波或使电动机磁场更接近圆形。目前近圆形。目前PWM技术已成为交流调速系统、交流伺技术已成为交流调速系统、交流伺服系统、高频逆变电源系统的主流控制技术。服系统、高频逆变电源系统的主流控制技术。1、SPWM调制法调制法2、加入、加入3次谐波的次谐波的HIPWM调制法调制法3、规则采用法、规则采用法4、谐波消除法、谐波消除法5、电流滞环跟踪法、电流滞环跟踪法6、电压空间矢量法、电压空间矢量法方式方式3.2.1 SPWM调制法调制法1. SPWM波形生成分析波形生成分析为了对为了对SPWM法进行定量分析，将法进行定量分析，将SPWM生成波形进行局部放大示。生成波形进行局部放大示。图图3

4、-8 SPWM局部波形局部波形 1. SPWM波形生成分析波形生成分析200104sin() ()2sin()ndnnnaUbn t dtubn t01(cossin)nnnuan tbn t (3-10) 已知三角函数积分为：已知三角函数积分为：1110211sin() ()(1 cos)21sin() ()cos21sin() ()(coscos)2kkkddkdkkUn t dtnnUn t dtnnUn t dtnnn(3-11) 将式（将式（3-10）中的）中的nb展开，并将式（展开，并将式（3-11）代入，则得）代入，则得123121021214sin() ()sin() ()si

5、n() ()222.sin() ()sin() ()22212( coscos.cos)212( 1) coskkkdddnddddkkidiiUUUbn t dtn t dtn t dtUUn t dtn t dtUnnnnUnn(3-12) 三相逆变器输出电压表达式为：三相逆变器输出电压表达式为：0112121 cossinkidiniUunan tn(3-13) 112121 coskidMiiUUa2. SPWM调制法的控制实现调制法的控制实现自然采样法自然采样法 ：通过计算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉：通过计算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉宽和脉冲间歇的时间，来

6、生成宽和脉冲间歇的时间，来生成SPWM波形。波形。 图图3-9 SPWM自然采样法自然采样法4444SonSoffSonSoffTtaTtaTtbTtb，由图可知由图可知 (3-15) 由式（由式（3-5）和（）和（3-6）相似三角形可得）相似三角形可得 12sin4sin4rmScmrmScmVtaTVVtbTV(3-16) 将上式整理后得将上式整理后得12sin4sin4SSTaMtTbMt(3-17) 3.2.2 加入加入3次谐波的次谐波的HIPWM调制法调制法为了解决为了解决SPWM过调制问题，在正弦参考波中加入过调制问题，在正弦参考波中加入3的整倍数次谐波，形的整倍数次谐波，形成波顶

7、较平坦的参考信号，使调制系数成波顶较平坦的参考信号，使调制系数M可大于可大于1。由于逆变器输出基波电压的大小和相位是由参考信号决定的，而三相逆由于逆变器输出基波电压的大小和相位是由参考信号决定的，而三相逆变器为三线输出没有零线，在线路上不会出现变器为三线输出没有零线，在线路上不会出现3的整倍数次谐波电压和电的整倍数次谐波电压和电流，所以正弦形参考信号加入流，所以正弦形参考信号加入3次谐波后，对输出基波电压不会有不利影次谐波后，对输出基波电压不会有不利影响。响。只要合成参考信号最大值不超过载波峰值就不会进入非线性控制区，从只要合成参考信号最大值不超过载波峰值就不会进入非线性控制区，从而可拓宽线性

8、控制范围，提高了直流侧电压利用率。而可拓宽线性控制范围，提高了直流侧电压利用率。HIPWM特点特点图图3-10 正弦参考信号加入正弦参考信号加入3次谐波的脉宽调制波形次谐波的脉宽调制波形 3.2.3 规则采样法规则采样法规则采样法：是针对规则采样法：是针对SPWM调制实现时，自然采样法在线调制实现时，自然采样法在线计算开关点计算开关点 困难而提出的。困难而提出的。分类：分类：1、对称规则采样法；、对称规则采样法； 2、不对称规则采样法。、不对称规则采样法。1. 高点对称规则采样法高点对称规则采样法图图3-11 高点对称规则采样法高点对称规则采样法 2. 低点对称规则采样法低点对称规则采样法4=

9、4SonSoffTtaTta(3-27) 由上图可知：由上图可知： 由式（由式（3-5）和（）和（3-6）相似三角形可得）相似三角形可得1sin4rmScmVtaTV (3-28) 将式将式(3-28)(3-28)中的中的a代入式代入式(3-27)(3-27)中，得到中，得到11(1sin)4=(1sin)4SonSoffTtMtTtMt (3-29) 1(1sin)2tpTtMt脉冲宽度为脉冲宽度为 (3-30)由于由于A和和B两点两点位于正弦参考位于正弦参考波的两侧，减波的两侧，减小了脉宽生成小了脉宽生成时间的误差。时间的误差。对比图对比图3-11，不难看出低点不难看出低点对称规则采样对称

10、规则采样法得到的法得到的SPWM波形更波形更加准确加准确3. 高低点不对称规则采样法高低点不对称规则采样法不对称规则采样法相对于对称规则采不对称规则采样法相对于对称规则采 样法而言，是一种倍样法而言，是一种倍频调制。它在一个三角波周期内进行两次采样，由采样值频调制。它在一个三角波周期内进行两次采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点确定脉宽。由于形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点确定脉宽。由于在一个三角波周期内的位置不对称，因此，该采样方法称在一个三角波周期内的位置不对称，因此，该采样方法称为不对称规则采样法。高低点不对称规则采样法是既在三为不对称规则采样法。高低点不对称规则采样法

11、是既在三角波的顶点位置对正弦波进行采样，又在三角波的底点位角波的顶点位置对正弦波进行采样，又在三角波的底点位置对正弦波进行采样，如图置对正弦波进行采样，如图3-13所示。所示。图图3-13 高低点不对称规则采样法高低点不对称规则采样法4. 零点不对称规则采样法零点不对称规则采样法图图3-14中间点不对称规则采样法中间点不对称规则采样法图图3-15 基于倍频采样的第基于倍频采样的第K周期的电流波形周期的电流波形3.2.4谐波消除法谐波消除法3.2.5电流滞环跟踪法电流滞环跟踪法图图3-18 电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM原理框图原理框图图图3-19电流跟踪控制形成电流跟踪控制形成PWM的波形的波

12、形3.2.6电压空间矢量法电压空间矢量法1电压空间矢量定义电压空间矢量定义2开关状态对应的空间矢量开关状态对应的空间矢量图图3-6三相桥式逆变器主电路三相桥式逆变器主电路 2开关状态对应的空间矢量开关状态对应的空间矢量图图3-20 两电平逆变器空间矢量图两电平逆变器空间矢量图 开关状态与电压空间矢量对应关系开关状态与电压空间矢量对应关系3矢量作用时间计算矢量作用时间计算refu4. SVPWM法的调制系数法的调制系数图图3-22 3-22 refu位于第位于第扇区时的七段法开关模式扇区时的七段法开关模式表表3-3 基于最少开关动作原则的开关模式基于最少开关动作原则的开关模式图图3-23不满足不

13、满足“最少开关动作最少开关动作”原则的开关模式原则的开关模式3.3电压型变频调速系统电压型变频调速系统图图3-25 PWM逆变器控制系统硬件电路逆变器控制系统硬件电路3.3.1 PWM变频器控制系统硬件电路变频器控制系统硬件电路主电路结构主电路结构中央控制单元中央控制单元检测电路检测电路霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器检测方法可以检测霍尔传感器检测方法可以检测PWM波形、直流和任意交流的信号，不但波形、直流和任意交流的信号，不但能够将主电路和控制电路进行隔离，而且不存在电位匹配和阻抗匹配问题，能够将主电路和控制电路进行隔离，而且不存在电位匹配和阻抗匹配问题，非常适合非常适合PWM逆变器的输出电压

14、、输出电流、直流侧电压的测量。逆变器的输出电压、输出电流、直流侧电压的测量。电流霍尔传感器的工作原理如图电流霍尔传感器的工作原理如图3-26所示。所示。当输入当输入PWM信号为高电平时。光电耦合器信号为高电平时。光电耦合器VTl及晶体管及晶体管VT2、VT3和和VT5导通，导通，驱动驱动IGBT导通；当输入导通；当输入PWM信号为低电平时，信号为低电平时，VT4、VT6导通，使导通，使IGBT快速快速关断。关断。图图3-27 功率开关管功率开关管IGBT驱动电路驱动电路开关电源开关电源开关电源电路是一种隔离电源，输入为主电路线电压开关电源电路是一种隔离电源，输入为主电路线电压输入，输出为输入，

15、输出为+5V、+15V、-15V和地，为中央控制单和地，为中央控制单元、检测电路和驱动电路提供电源。应该注意的是，元、检测电路和驱动电路提供电源。应该注意的是，为驱动电路提供的电源必须是电位浮动的独立电源。为驱动电路提供的电源必须是电位浮动的独立电源。3.3.2 SPWM逆变器控制系统逆变器控制系统1. 控制系统构成控制系统构成图图3-28 SPWM逆变器控制系统原理框图逆变器控制系统原理框图控制系统采用如图控制系统采用如图3-29所示的所示的SPWM调制方式。在低频输出区，采用载波频率调制方式。在低频输出区，采用载波频率cf恒定的异步调制方式，而在较高输出频率范围内采用分级同步调制方式。恒定

16、的异步调制方式，而在较高输出频率范围内采用分级同步调制方式。图图3-29 控制系统异步和分级同步调制方式控制系统异步和分级同步调制方式 SPWM控制系统中，三相正弦参考信号发生器是重要的单元。在微型计算机控制系统中，三相正弦参考信号发生器是重要的单元。在微型计算机中，为了实现正弦波发生器，一般将正弦表数据存贮在中，为了实现正弦波发生器，一般将正弦表数据存贮在ROM中，然后通过查中，然后通过查表的方法生成正弦波，如图表的方法生成正弦波，如图3-30所示。所示。 图图3-30三相正弦波发生器框图三相正弦波发生器框图 序号序号角度角度正弦值正弦值转换成转换成Q15定标值定标值000011.4060.

17、024580322.8120.0491160934.2180.0736241245.6240.0980321157.030.1224401168.4360.1467480779.84202480.19516393912.6540.219171791014.060.242979591115.4660.266787391216.8720.290295091318.2780.3136102761419.6840.3368110361521.090.359811790锁相环倍频发生器框图如图锁相环倍频发生器框图如图3-31所示。实质上它是一个数字反馈系统，环路滤波所示。实质上它是一个数字反馈系统，环路滤波器的输入端产生一个与相位差值成正比的模拟误差信号，放大的误差信号驱动一器的输入端产生一个与相位差值成正比的模拟误差信号，放大的误差信号驱动一个压控振荡器，以产生一个期望的输出频率。个压控振荡器，以产生一个期望的输出频率。图图3-31倍频发生器框图倍频发生器框图1. 控制系统构成控制系统构成 图图3-32 SVPWM逆变器控制系统原理框图逆变器控制系统原理框图 绝对值运算器输出一路经过函数发生器，用来实现在绝对值运算器输出一路经过函数发生器，用来实现在整个调频范围内进行输出电压和