电力电子课第7章1pwm控制技术

PWM控制技术1PulseWidthModulationTechnology主讲：伍文俊2§7.1概述

（Introduction）PWM（PulseWidthModulation）：脉冲宽度调制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。一、PWM二、PrincipleofOperation

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。3冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指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，仅在高频段略有差异。

4三、PrincipleofSPWM

脉冲的宽度按正弦规律变化，且和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。等幅PWM波不等幅PWM波PWM波分类PWMPAM5四、PWM

Techniques三角波采样（Triangular-wavesampling）自然采样（Naturalsampling）规则采样（Uniformsampling）计算法Calculation基于等面积法选择性谐波消去法（Selectiveharmonicselimination）滞环控制（Hystereticcontrol）空间矢量调制SpaceVectorModulation(SVM,orSVPWM)6五、PWM

ApplicationsDC/DCAC/ACDC/ACAC/DCPWM控制7§7.2PWM逆变电路及其控制方法（PWMInverteranditsControlMethods）

根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

特点：计算繁琐。

一、CalculatingMethod二、RegulatingMethod调制波：希望输出的波形；载波：接受调制的信号；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。

8三、SinglephaseBridgePWM

InverterurucuOwtOwtuouofuoUd-Ud1、单极性调制：在ur的半个周期内，三角波载波单极性；在ur的半个周期内，PWM波为+Ud，0或-Ud，0两种。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud

。当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V2保持通，V1保持断，V3和V4交替。9fr=50Hz,fc=550Hz单相SPWM主电路10fr=50Hz,fc=550Hz单相SPWM主电路11不同频率的影响—波形fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz12fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz不同频率的影响—FFT分析13fr=50Hz,fc=550Hzfr=50Hz,fc=1950Hz不同频率的影响—FFT分析放大14不同调制度的影响—波形m=1m=0.515m=1m=0.5不同调制度的影响—FFT分析162、双极性调制：在ur的半个周期内，三角波载波有正有负；PWM波有正有负，只有±Ud两种。ur正负半周，各开关器件的控制相同。当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。17fr=50Hz,fc=550Hz单相SPWM主电路18fr=50Hz,fc=550Hz单相SPWM主电路19fr=50Hz,fc=550Hz不同频率的影响—FFT分析20fr=50Hz,fc=1950Hz不同频率的影响—FFT分析21单极性及双极性调制对比：每半个周波输出电压波形对比：单极性：Ud，0或-Ud，0；

双极性：Ud或-Ud。开关次数：单极性少，双极性多。控制脉冲：单极性：复杂。调制波正、负半周V1和V2互补且为方波，V3和V4互补且为PWM波。双极性：简单。调制波正、负半周V1和V4相同，V2和V3相同，V1(V4)和V2(V3)互补。22四、ThreePhaseBridgePWM

Inverter采用双极性控制方式。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波，三相的调制信号依次相差120°。23相电压---两电平

当urU>uc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压为Ud/2。当urU<uc时，V4导通，V1关断，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压为-Ud/2。线电压----三电平臂1和6导通：uUV=Ud。臂3和4导通：uUV=－Ud。臂1和3或臂4和6导通：uUV=0。负载相电压-----五电平

(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0工作特点：24脉冲上桥和下桥臂的IGBT驱动信号始终是互补的，且要加死区。导通特性当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。25五、SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM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、断次数有限。如各3次（不包括0和π），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。特定谐波消去法:26为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称 同时上两式波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为

式中，an为27若独立控制a1、a

2和a

3共3个时刻。该波形的an为

式中n=1,3,5,…

若确定基波a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得a1、a2和a3。28

在三相对称电路的线电压中，相电压所含的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α1、α2和α3。a1变，α1、α2和α3也相应改变。29一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k－1个频率的特定谐波。k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。

该法在工程中如果采用实时计算则无法完成，在稳态的控制使用较多，动态控制不适用。30六、asynchronousandsynchronousmodulation1、载波比

载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr。2、异步调制特点：通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在调制信号波的半周期内，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。同步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。31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都较小。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。3.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波保持同步，即N等于常数。特点：基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。32三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。33

异步调制和同步调制的综合应用。低频时：异步调制；高频时：同步调制；这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。把整个fr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。4.分段同步调制实线表示输出频率增高时的切换频率虚线表示输出频率降低时的切换频率34

七、UniformSampling----规则采样法自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。规则采样法35

在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作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控制开关器件的通断。正弦调制信号波-----a称为调制度，0≤a<1；则脉冲宽度：36与自然采样法的差别：脉冲宽度d

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；自然采样法中，脉冲中点和三角波一周期的中点（即负峰点）不重合；而规则采样法使两者重合，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。37八、HarmonicAnalysisofPWMInverter

前提：

以双极性SPWM波形为准，同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。分析方法：

以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。

单相的分析结果谐波角频率为:式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。38±k)角频率(nωcωr1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=039三相的分析结果公用载波信号时的情况输出线电压中的谐波角频率为：式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…时，1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nwc+kwr)谐波振幅40三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率ωc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。SPWM波中谐波主要是角频率为ωc、2ωc及其附近的谐波，很容易滤除。谐波分析小结：

在实际电路中，采样时刻的误差和死区会使谐波的分布情况将更为复杂，谐波含量更多一些。SPWM波形中所含的谐波主要是：c、2c及其附近的谐波，一般情况下c>>r，是很容易滤除的。41直流电压利用率：逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率目的：提高逆变器的输出能力。减少器件的开关次数目的：降低开关损耗。正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度a为1时，输出线电压的基波幅值为，直流电压利用率为0.866，实际还更低。九、AdvancedPWM2、AdvancedPWM：梯形波调制方法马鞍波调制方法1、衡量逆变电路PWM的主要评价指标：

谐波，直流电压利用率，开关次数。线电压调制方法42梯形调制波马鞍形调制波43ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV3、梯形波调制

◆当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，可以有效地提高直流电压利用率。

◆决定功率开关器件通断的方法和用正弦波作为调制信号波时完全相同。

◆三角化率=

Ut/Uto来描述，其中Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。

◆=0时梯形波变为矩形波，=1时梯形波变为三角波。

44◆=0.4时，谐波含量也较少，谐波畸变率约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。◆用梯形波调制时，输出波形中含有5次、7次等低次谐波，这是梯形波调制的缺点，实际应用时，可以考虑将正弦波和梯形波结合使用。454、线电压控制方式◆目标：使输出的线电压波形中不含低次谐波，同时尽可能提高直流电压利用率，也应尽量减少功率器件的开关次数。

◆方法：在相电压正弦波调制信号中叠加：

适当大小的3次谐波，使之成为鞍形波；

其他3倍频于正弦波的信号；

叠加直流分量。

◆结果：在合成线电压时，各相电压的3次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。合成后ur的最大值不超过三角波载波最大值。

46三次谐波取法很多！可提高电压利用率15%47线电压控制方式举例:1、叠加三次谐波48（叠加3倍次谐波和直流分量）2、最小损耗PWM法：则三相的调制信号分别为：叠加up，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，up大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为ura1、urb1和urc1，并令偏移函数：4950

显然，不开关区只在原调制波的负半周出现，如果想在正负半周都出现，偏移函数按如下变化：5152不论ura1、urb1和urc1幅值的大小，ura、urb、urc总有1/3周期的值和三角波负峰值和正峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为-1和1的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控制方式

。

优点：（1）在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少1/3。（2）最大输出线电压基波幅值为Ud，直流电压利用率提高。（3）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。53电压空间矢量控制起源：交流电动机调速；目的：追求电流正弦化电压型逆变电路→电流远非正弦，电流谐波产生脉动转矩,使电动机损耗增大→出现电流型逆变，直接追求电流正弦化。电流正弦化目的：建立圆形磁链轨迹(以便产生恒定电磁转矩)，故按圆形磁链轨迹为控制目标更直接。按圆形磁链轨迹为目标形成PWM信号，称为磁链跟踪控制。由于磁链轨迹可借助电压空间矢量叠加而得，故又称电压空间矢量控制。

应用：电压空间矢量控制虽由交流调速而生，但其应用已不仅局限于交流调速。十、SpaceVectorControl----空间电压矢量控制54设三相电压为：定义：空间电压矢量（Spacevector）为模为相电压峰值，且以角频率按逆时针方向匀速旋转。在三相坐标轴上的投影就是对称的三相正弦量。1.基本概念：55在αβ坐标下：其中：abcv