信息与通信pwm控制技术课件

1、PWM控制技术第1页，共57页。PWM控制的基本原理PWM逆变电路的及其控制方法第2页，共57页。2PWM控制技术PWM控制对脉冲的宽度进行调制的技术通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）有效地进行谐波抑制动态响应、效率等性能优良在电力电子装置中应用广泛第3页，共57页。3采样控制理论中一个重要结论大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。该原理被称为冲量（面积）等效原理。 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如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有

2、差异大小、波形不相同的两个窄脉冲电压作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的面积（冲量）相等，则它们形成的电流响应就相同。 第4页，共57页。4 图a为方波窄脉冲、图b为三角波窄脉冲、图c为正弦半波窄脉冲，它们的面积都等于1，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同当窄脉冲变为图的单位冲击函数（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数f (t) (t)tOa)b)c)d)tOf(t)tOf(t)tOf (t)形状不同而冲量相同的各种窄脉冲PWM控制的基本原理第5页，共57页。5i(t )u(t)i(t)t0冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 u(t)为电压窄脉冲，为电路的输入，电

3、流i(t)为电路的输出， i(t)的上升阶段，脉冲形状不同，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同，脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小PWM控制的基本原理第6页，共57页。6如周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的 用傅里叶级数分解后，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同 上述原理为面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础i(t )u(t)i(t)t0冲量相同的各种窄脉冲的响应波形PWM控制的基本原理第7页，共57页。71964年，德国A.Schonung率先提出了脉宽调制变频的思想。交直交变压变频器的原理框图，逆变器的功率开关器件采用全控式器件，

4、按一定规律控制其导通或关断，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。 PWM控制的基本原理第8页，共57页。8将正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，为/N，但幅值不等，各脉冲幅值按正弦规律变化a用PWM波代替正弦半波PWM控制的基本原理第9页，共57页。9aOutb用PWM波代替正弦半波如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，可得脉冲序列，即PWM

5、波形PWM控制的基本原理第10页，共57页。10脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形SPWM波形等幅PWM（直流电源产生）不等幅PWM（交流电源产生）PWM控制的基本原理第11页，共57页。11 一、计算法和调制法计算法根据正弦波频率、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PWM波形调制法把希望输出的波形（正弦波）按比例缩小作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过载波的调制得到所期望的PWM波形第12页，共57页。12等腰三角波或锯齿波调制法把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载

6、波的调制得到所期望的PWM波形第13页，共57页。13 V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补 uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负阻感负载第14页，共57页。14阻感负载 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud第15页，共57页。15阻感负载 V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0 uo总可得到Ud和零两种电平 uo负半周，让V2保

7、持导通，V1保持断开，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平第16页，共57页。16 调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断 ur正半周，V1保持通，V2保持断当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0 表示uo的基波分量单极性PWM控制方式（单相桥逆变）第17页，共57页。17表示uo的基波分量 Ur负半周，V1保持断，V2保持通 当uruc时，使V3断，V4通， uo=0单极性PWM控制方式Ur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P

8、WM波形也只在正极性或负极性一种极性范围内变化第18页，共57页。18双极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM控制方式在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负第19页，共57页。19双极性PWM控制方式（单相桥逆变） 在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断 ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同第20页，共57页。20双极性PWM控制方式（单相桥逆变） 当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号 如io0，则V1和V4通， 如io0，VD1和VD4通， 不管哪种情况uo=U

9、d第21页，共57页。21当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号 如io0，VD2和VD3通， 不管哪种情况uo=-Ud双极性PWM控制方式（单相桥逆变）第22页，共57页。22双极性PWM控制方式（三相桥逆变）U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uUN=Ud/2 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则uUN=-Ud/2 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导

10、通第23页，共57页。23 uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平 线电压波形uUV的波形可由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逆变器输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成双极性PWM控制方式（三相桥逆变）第24页，共57页。24负载向电压uUN可由下式求得 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成双极性PWM控制方式（三相桥逆变）第25页，共57页。25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，在上下两臂切换时留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间的长短主

11、要由功率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，使其稍稍偏离正弦波双极性PWM控制方式（三相桥逆变）第26页，共57页。262 脉宽调制的制约条件根据脉宽调制的特点，逆变电路中的电力电子器件在其输出电压半周期内要开关n次，n越大，脉冲序列波的脉宽i越小，SPWM波形的基波更接近期望的正弦波。 电力电子器件本身的开关能力是有限的，因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约 第27页，共57页。271. 开关频率电力电子器件本身固有的开关时间、开关损耗载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / frN=2n 理想情况2 脉宽调制的制约条件第28页，共57页。2

12、82. 最小间歇时间与幅值调制比保证：最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 2 脉宽调制的制约条件第29页，共57页。292. 最小间歇时间与幅值调制比幅值调制比调制度M= Urm / UcmM= 0-1在脉宽调制时，若n为偶数，调制信号的峰值Urm与三角载波相交的地方恰好是一个脉冲的间歇。为了保证最小间歇时间大于toff，必须使Urm低于三角波的峰值Ucm 2 脉宽调制的制约条件第30页，共57页。303 异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr载波和信号波是否同步及载波比的变化情况异步调制PWM调制方式分

13、为同步调制第31页，共57页。311. 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当信号频率较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，PWM波形接近正弦波当信号频率增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，使得输出PWM波和正弦波差异变大3 异步调制和同步调制第32页，共57页。32第33页，共57页。332. 同步调制载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式，在基本同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉

14、冲数是固定，脉冲相位也是固定的三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称为使一相的PWM波正负半周镜对称， N应取奇数3 异步调制和同步调制第34页，共57页。34当逆变电路输出频率很低时，fc也很低， fc过低时由调制带来的谐波不易滤除当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受第35页，共57页。35分段同步调制把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，限制功率开关器件允许的范围在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响

15、3 异步调制和同步调制第36页，共57页。36为防止载波频率在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，fc大约在1.4-2.0KHz之间3 异步调制和同步调制第37页，共57页。374 SPWM控制的实现方法等效面积算法 面积等效原理 计算法 自然采样法 规则采样法调制法第38页，共57页。384 SPWM控制的实现方法自然采样法按照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的通断，这种生成SPWM波形的方法规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多第39页，共57页。39 取三角波两个正峰值之间为一

16、个采样周期Tc 使脉冲中点 和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 规则采样法第40页，共57页。40 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断 这种规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 规则采样法第41页，共57页。41设正弦调制信号波为式中， a称为调制度，0a1； wr

17、为信号波角频率，从图中得以下关系式 因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度为规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 第42页，共57页。42 三相桥逆变电路应形成三相SPWM波形，三相的三角波载波共用，三相正弦调制波相位依次差120 设同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为dU、dV和dW，同一时刻三相调制波电压之和为零，得 利用以上两式可简化三相SPWM波的计算规则采样法第43页，共57页。435 PWM逆变电路的谐波分析第44页，共57页。44PWM跟踪技术 1 滞环比较方式 2 三角形比较方式 第45页，共

18、57页。45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 Ii*-D Ii*滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。滞环环宽电抗器L的作用第46页，共57页。46参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，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率

19、大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用tOiii*+D Ii*-D Ii*滞环比较方式的指令电流和输出电流滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环环宽电抗器L的作用滞环比较方式第47页，共57页。472) 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM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PWM变流电路的共同特点。滞环比较方式第48页，共57页。48 三角形比较方式负载+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-

20、C+-三相三角波发生电路AAA(1) 基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。(2) 特点开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。三角波比较方式电流跟踪型逆变电路第49页，共57页。49不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以固定采样周期对指令信

21、号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，如i i*，V1断，V2通，使I 减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。(3) 除上述两种比较方式外，还有定时比较方式。 三角形比较方式第50页，共57页。50介绍PWM控制的基本原理、实现方法，并着重阐述PWM控制技术在逆变电路中的应用。小结第51页，共57页。51PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。器件与PWM技术的关系IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完