PWM电路-PWM跟踪控制技术（电力电子技术课件）

电力电子技术电流滞环跟踪控制的原理

以电流滞环跟踪控制的单相半桥逆变电路为例假设负载为纯阻性，但考虑输出滤波器之后可等效为感性负载，基波阻抗角为φ1；控制电路参数选择使主电路功率器件的开关周期Tc远小于逆变输出周期T，只考虑输出电压的基波分量uo1式中，ω=2πf=2π/T，Uo1m<Ud/2，输出滤波电感量L足够大，电感电流iL线性变化。uo1=Uo1msin(ωt-φ1）图

电流滞环跟踪控制逆变电路7.3.2电流滞环跟踪控制的原理iR=IRmsin(ωt）滞环跟踪方式的原理图中显示的是采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路图

电流滞环跟踪控制逆变电路图中iR是给定正弦电流，iR=IRmsinωt，式中电流幅值IRm和角频率ω均连续可调；if是反馈电流，if=iL／KCT，式中KCT为电流互感器CT的变比。二者进行比较后的偏差ie作为带有滞环特性的比较器的输入。7.3.2电流滞环跟踪控制的原理滞环跟踪方式的原理图中显示的是采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路图

滞环比较器的上下门限滞环比较器具有的滞环环宽为Δuh，Δuh=uh2-uh1，uh2和uh1分别表示滞环比较器的上门限电压和下门限电压(见图(b)。滞环的环宽Δuh由滞环比较器的电路参数决定，但uh1和uh2的大小跟随电流给定值变化，当给定电流按正弦变化时，uhl和uh2也按正弦变化，它们分别对应于中给定电流iR的上、下门限电流iR1和iR2。图(d)电流滞环跟踪控制的电流跟踪过程及PWM波形7.3.2电流滞环跟踪控制的原理滞环跟踪方式的原理图中显示的是采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路图

电流滞环跟踪控制逆变电路逆变电路原理图可见，当逆变桥上、下臂开关器件交替导通时，逆变主电路可等效为图（c）。图（c）中开关S以fc的频率在a和b间来回切换，当S打向a位时：diL/dt>0，iL

线性上升，其上升速率随时间变化；当S打向b位时：diL/dt<0，iL

线性下降，其速率也随时间变化。控制电路的任务是控制电路中上、下臂开关器件在电流上升到iR2

或下降到iR1

时进行切换，使其交替导通，保证电感电流跟踪正弦给定电流。在开关频率很高的条件下，便可能得到可控的正弦输出电流。7.3.2电流滞环跟踪控制的原理电力电子技术跟踪控制技术概述

7.3.1跟踪控制技术概述PWM波形生成的三种方法计算法调制法跟踪控制技术跟踪控制技术：把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，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。注意：跟踪控制技术不是用信号波对载波进行调制，而是引入反馈控制的概念。7.3.1跟踪控制技术概述跟踪控制法中常用的控制方式电流跟踪控制方式电压跟踪控制方式磁链跟踪控制方式闭环控制7.3.1跟踪控制技术概述跟踪控制方式的应用实用电源系统中，有的为了适应输入电压和负载电流变化条件下维持输出电压恒定，希望输入电流是可控的(例如CVCF电源)；而对于像以交流电动机为负载的VVVF电源，为了适应各种不同的力矩需要，则希望输出电流是可控的。为满足某个量的可控或恒定，就应引入该量的反馈，这便形成了电流反馈控制。电流滞环跟踪控制是电流反馈控制的一种。由于客观的需要以及电流型控制自身优点，使这种控制方式得到重视和应用。电流跟踪控制方式电力电子技术电流滞环跟踪控制电路工作过程

7.3.2电流滞环跟踪控制电路工作过程滞环跟踪方式的原理图

电流滞环跟踪控制逆变电路电路的工作过程如下，设电路初态为T1导通，相当于图(c)中的S位于a处，iL

线性增长，if

相应增长。当if=iR2(相当于ui=uh2)时，滞环比较器输出电压uy

由UH转为零，输出控制信号ug1=0，ug2>0，使T1关断、T2导通，但由于回路电感的作用，为了维持iL

连续，二极管D2

导通续流，T2被迫处于阻断状态，相当于图(c)中开关S由a→b切换，iL

相应下降。电流降到if=iR1

时，相当于ui=uh1

时，uy

由0转为UH，又使ug1>0，ug2=0，T1再次导通、D2

截止，完成一个开关周期。电流滞环跟踪控制逆变电路滞环跟踪方式的原理图

电流滞环跟踪控制逆变电路iL(if)的波形如图(d)所示。这样，通过环宽为ΔIh(对应图(b)中的Δuh)的滞环比较器的控制，i就在iR1

和iR2

的范围内，呈锯齿状地跟踪给定电流iR变化。图(d)电流滞环跟踪控制的电流跟踪过程及PWM波形7.3.2电流滞环跟踪控制电路工作过程滞环跟踪方式的原理从图(d)中也可看出，环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大；环宽ΔIh越小，则开关切换的越频繁，iL

越能紧紧跟踪给定正弦电流的变化，电流脉动越小，电流失真度越小，但带来的是开关频率fc越高，而fc的提高，将导致电路开关损耗增加，效率降低。另外，fc

的提高，还要受开关器件自身参数的限制。负载串联电抗器L可起到限制电流变化率的作用。L过大时，i的变化率过小，对指令电流的跟踪变慢；L过小时，i的变化率过大，电流频繁地达到上下限电流，会加大开关的动作频率。图(d)电流滞环跟踪控制的电流跟踪过程及PWM波形7.3.2电流滞环跟踪控制电路工作过程电力电子技术电压滞环跟踪控制

7.3.5电压滞环跟踪控制与电流滞环跟踪控制方式相对应的是采用电压滞环跟踪控制方式。图电压滞环跟踪控制逆变电路电压滞环跟踪控制逆变电路工作原理在电压滞环跟踪控制方式中，是把给定电压uR与经电压互感器PT降压后的逆变电路输出电压反馈量uf进行比较，得到偏差信号ue，该偏差信号ue经滤波后再送入滞环比较器，由比较器的输出控制主电路开关器件的通/断，从而实现电压跟踪控制。7.3.5电压滞环跟踪控制其工作过程与电流滞环跟踪控制方式大体相同，二者相比，只是把给定信号和反馈信号由电流换为电压。但由于其输出电压是PWM波形，其中含有大量的高次谐波，故必须设置适当的滤波器将其滤除。图电压滞环跟踪控制逆变电路电压滞环跟踪控制逆变电路工作原理7.3.5电压滞环跟踪控制该电路的驱动器是一个脉宽可调的振荡器，当给定信号uR=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。当uR>0时，u变为正宽负窄、正负脉冲宽度不等的矩形波，当uR<0时，u变为正窄负宽、正负脉冲宽度不等的矩形波。正/负脉冲宽度差由uR的极性和大小决定。当uR为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从输出电压u中滤除由功率器件通/断所产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和uR相同，从而实现电压跟踪控制。图电压滞环跟踪控制逆变电路电压滞环跟踪控制逆变电路驱动器电力电子技术电流滞环跟踪控制的特点

7.3.3电流滞环跟踪控制的特点采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路的特点电流滞环跟踪控制既可以用于单相PWM逆变电路，也可用于三相PWM逆变电路，它由图中三个相同的单相半桥电路组成，三相电流给定信号iRU、iRV

和iRW

依次相差120o

，电流反馈信号分别引自对应的三相。图

单相PWM电流滞环跟踪控制逆变电路三相PWM逆变电路工作过程与单相电路相同。但其线电压的正半周和负半周内，都有极性相反的脉冲输出，这将使输出电压中的谐波分量增大，也使负载的谐波损耗增加。采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路的特点①硬件电路简单，属于闭环控制。②系统具有较高的稳定性。③具有快速的瞬态响应。④电流型半桥电路容易产生失控。电流脉宽不等固然可以维持电感端压的伏秒值平衡，但却会导致电容电荷的安秒值不平衡，导致直流侧分压电容端压不等、电源中点漂移，恶性循环的结果将使电路失控。⑤开关频率不固定。由于器件的开关点完全取决于电流到达上下限值的时间，因此滞环控制的开关频率并不固定，使电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差。图

单相PWM电流滞环跟踪控制逆变电路7.3.3电流滞环跟踪控制的特点电力电子技术恒开关频率的电流控制

7.3.4采用恒开关频率电流控制逆变电路图(a)采用恒开关频率电流控制的逆变电路恒开关频率电流控制逆变电路中，开关频率是恒定的，也称为同步开关控制方式。图(b)电流滞环跟踪控制的逆变电路正弦给定电流iR与反馈电流if在电流比较器的输入端进行比较后，根据差值电流ie=iR-if的极性决定输出驱动主电路的开关器件的通/断为使电路具有固定的切换频率，不直接以ie的极性控制ug的状态，而在比较器和驱动器之间增加了一个受重复频率恒为fc的方波信号uc控制的锁存器，uc作为锁存器的时钟脉冲加到CP端，而锁存器只有在时钟脉冲到来时才转换状态比较7.3.4采用恒开关频率电流控制逆变电路图(a)采用恒开关频率电流控制的逆变电路恒开关频率方式解决了滞环控制方式时开关频率不固定的问题，给高频滤波器的设计带来方便。但当电流上升或下降较快，使ie

的极性变号后，本应及时切换主电路开关器件转为下降或上升，但却会受恒开关频率fc的控制，因时间未到而不得不继续上升或下降，使电流严重偏离给定电流，造成控制精度变低、电流波形失真度比滞环控制方式在相同条件下要高。特点电力电子技术三角波跟踪控制

7.3.6三角波跟踪控制图三角波比较电流型跟踪控制逆变电路它是把给定电流(或电压)信号与逆变电路实际输的电流(或电压)信号进行比较，得到偏差信号，将该偏差信号送PI调节器进行放大和调节运算，再将其输出信号与三角波进行比较，产生PWM控制波形去控制主电路的开关器件的导通和关断，产生PWM波形。调制法:是用三角波直接与给定信号进行比较，产生PWM调制信号，属开环控制，无电流或电压跟踪功能。三角波比较方式:分为电流跟踪型和电压跟踪型两种,通过闭环来进行控制的。采用三角波比较方式的电压跟踪型PWM逆变电路与电流跟踪型PWM逆变电路相似，只是给定信号和反馈信号都是电压信号而已。。7.3.6三角波跟踪控制图三角波跟踪控制逆变电路这种控制方式是一种电流或电压的单闭环控制系统，它可以实现对被调量的跟踪控制。只是其调节控制的输出，又经三角形载波进行了调制。当三角波载波频率一定时，功率开关器件的开关频率也是一定的，这就给滤波器的设计带来方便。与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。三角波比较方式的特点应用：常用于对谐波和噪声要求严格的场合。电力电子技术采用微处理器产生的SPWM波

SPWM波生成的基本方法7.4.2采用微处理器产生的SPWM波它是将正弦波一个周期中不同电角度的正弦值预先算好，作为一个表格存入计算机的内存，工作时按照一定的时间间隔读取并输出数据，便可得到SPWM波形。微处理器若同时从0、120、240处读取正弦表的数据，送入三个波形发生器WFG，便可同时等到三相SPWM波形。这种方法中，正弦波的频率由改变从正弦表中读取的数据和时间间隔决定，其幅值的改变可将查表数据乘上一个幅值调制系数来实现。它是根据数学模型，实时计算出开关的转换时刻，控制逆变器主开关导通与关断。这又有自然采样法和规则采样法之分。自然采样法是按照SPWM控制的基本原理，计算调制波与三角波的交点来控制功率开关的通/断，获得理想的SPWM波。自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。表格法实时计算法采用微处理器的SPWM控制SPWM波生成的基本方法采用微处理器的SPWM控制优点是简单，缺点是占用内存较大，尤其是在高分辨率连续调频时，由于不可能存储所有模式的数据，难以实现波形的优化。它是根据数学模型，实时计算出开关的转换时刻，但这种方法要解复杂的超越方程，尤其在实时控制中更是难以实现，所以工程上很少使用。而工程上广泛使用的是规则采样法。表格法实时计算法7.4.2采用微处理器产生的SPWM波电力电子技术专用集成电路产生的SPWM波

SPWM波生成的基本方法采用专用集成电路产生7.4.2专用集成电路产生的SPWM波它是将正弦波一个周期中不同电角度的正弦值预先算好，作为一个表格存入计算机的内存，工作时按照一定的时间间隔读取并输出数据，便可得到SPWM波形。微处理器若同时从0、120、240处读取正弦表的数据，送入三个波形发生器WFG，便可同时等到三相SPWM波形。这种方法中，正弦波的频率由改变从正弦表中读取的数据和时间间隔决定，其幅值的改变可将查表数据乘上一个幅值调制系数来实现。它是根据数学模型，实时计算出开关的转换时刻，控制逆变器主开关导通与关断。这又有自然采样法和规则采样法之分。自然采样法是按照SPWM控制的基本原理，计算调制波与三角波的交点来控制功率开关的通/断，获得理想的SPWM波。自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。表格法实时计算法SPWM波生成的基本方法采用专用集成电路产生优点是简单，缺点是占用内存较大，尤其是在高分辨率连续调频时，由于不可能存储所有模式的数据，难以实现波形的优化。它是根据数学模型，实时计算出开关的转换时刻，但这种方法要解复杂的超越方程，尤其在实时控制中更是难以实现，所以工程上很少使用。而工程上广泛使用的是规则采样法。表格法实时计算法7.4.2专用集成电路产生的SPWM波电力电子技术SPWM生成基本方法

7.4.1SPWM生成的基本方法SPWM在PWM的基础上用正弦波来调制合成的具有正弦波规律变化的方波。SPWM波生成的基本方法采用模拟电路产生采用专用集成电路产生微型计算机直接产生采用模拟电路生成SPWM波形按照SPWM产生的原理，是用分立的模拟或数字电路来构成正弦信号发生器、三角波发生器生成调制波和载波，再通过比较器自动完成两者交点的确定，即可在比较器的输出端直接输出SPWM矩形波。采用集成电路产生SPWM波的方法简单可靠，方便易行。许多厂商开发了专门用于电机控制的微处理器或数字信号处理器(DSP)。这些微处理器有专用的输出端口，可在软件支持下产生SPWM波形。SPWM波生成的基本方法采用模拟电路产生7.4.1SPWM生成的基本方法这种方法的实时性好，但其电路复杂、可靠性低，灵活性差，输出波形优化困难。为增加该方法的灵活性和可靠性，也有利用单片机的计算与存储功能和D/A转换器参与三角波和正弦波的生成或直接生成SPWM波形。SPWM波生成的基本方法采用专用集成电路产生7.4.1SPWM生成的基本方法目前许多厂商都开发研制了多种类型的专门产生单相或三相SPWM信号的集成电路。例如：单相PWM发生器集成电路TL494和SG3524；用于三相SPWM的专用集成电路HEF4752和SLE4520等。HEF4752：专门产生三相SPWM信号的大规模集成电路；由纯硬件实现；属同步调制电路；在交流电动机变频调速和不间断电源中用作中心控制部件；输出频率在1Hz到上百赫兹之间连续可调。SLE4520：专门用于三相VVVF电源控制的大规模集成电路；它必须和8位微处理器配合使用；由微处理器中的定时器决定逆变器的开关频率；具有内部封锁能力；特别适合于交流电动机变频调速或交流逆变电源系统。电力电子技术跟踪控制技术概述

一跟踪控制技术概述PWM波形生成的三种方法计算法调制法跟踪控制技术跟踪控制技术：把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，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。注意：跟踪控制技术不是用信号波对载波进行调制，而是引入反馈控制的概念。一跟踪控制技术概述跟踪控制法中常用的控制方式电流跟踪控制方式电压跟踪控制方式磁链跟踪控制方式闭环控制一跟踪控制技术概述跟踪控制方式的应用实用电源系统中，有的为了适应输入电压和负载电流变化条件下维持输出电压恒定，希望输入电流是可控的(例如CVCF电源)；而对于像以交流电动机为负载的VVVF电源，为了适应各种不同的力矩需要，则希望输出电流是可控的。为满足某个量的可控或恒定，就应引入该量的反馈，这便形成了电流反馈控制。电流滞环跟踪控制是电流反馈控制的一种。由于客观的需要以及电流型控制自身优点，使这种控制方式得到重视和应用。电流跟踪控制方式二电流滞环跟踪控制以电流滞环跟踪控制的单相半桥逆变电路为例假设负载为纯阻性，但考虑输出滤波器之后可等效为感性负载，基波阻抗角为ϕ1；控制电路参数选择使主电路功率器件的开关周期Tc远小于逆变输出周期T，只考虑输出电压的基波分量uo1式中，ω=2πf=2π/T，Uo1m<Ud/2，输出滤波电感量L足够大，电感电流iL线性变化。uo1=Uo1msin(ωt-ϕ1）图

电流滞环跟踪控制逆变电路滞环跟踪方式的原理图中显示的是采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路图

电流滞环跟踪控制逆变电路图中iR是给定正弦电流，iR=IRmsinωt，式中电流幅值IRm和角频率ω均连续可调；if是反馈电流，if=iL／KCT，式中KCT为电流互感器CT的变比。二者进行比较后的偏差ie作为带有滞环特性的比较器的输入。滞环比较器具有的滞环环宽为Δuh，Δuh=uh2-uh1，uh2和uh1分别表示滞环比较器的上门限电压和下门限电压(见图(b))。滞环的环宽Δuh由滞环比较器的电路参数决定，但uh1和uh2的大小跟随电流给定值变化，当给定电流按正弦变化时，uhl和uh2也按正弦变化，它们分别对应于中给定电流iR的上、下门限电流iR1和iR2。二电流滞环跟踪控制滞环跟踪方式的原理图中显示的是采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路图

电流滞环跟踪控制逆变电路逆变电路原理图可见，当逆变桥上、下臂开关器件交替导通时，逆变主电路可等效为图（c）。图（c）中开关S以fc的频率在a和b间来回切换，当S打向a位时：diL/dt>0，iL

线性上升，其上升速率随时间变化；当S打向b位时：diL/dt<0，iL

线性下降，其速率也随时间变化。控制电路的任务是控制电路中上、下臂开关器件在电流上升到iR2

或下降到iR1

时进行切换，使其交替导通，保证电感电流跟踪正弦给定电流。在开关频率很高的条件下，便可能得到可控的正弦输出电流。二电流滞环跟踪控制滞环跟踪方式的原理图

电流滞环跟踪控制逆变电路电路的工作过程如下，设电路初态为T1导通，相当于图(c)中的S位于a处，iL

线性增长，if

相应增长。当if=iR2(相当于ui=uh2)时，滞环比较器输出电压uy

由UH转为零，输出控制信号ug1=0，ug2>0，使T1关断、T2导通，但由于回路电感的作用，为了维持iL

连续，二极管D2

导通续流，T2被迫处于阻断状态，相当于图(c)中开关S由a→b切换，iL

相应下降。当电流降到if=iR1

时，相当于ui=uh1

时，uy

由0转为UH，又使ug1>0，ug2=0，T1再次导通、D2

截止，完成一个开关周期，iL(if)的波形如图7.26所示。这样，通过环宽为ΔIh(对应图(b)中的Δuh)的滞环比较器的控制，i就在iR1

和iR2

的范围内，呈锯齿状地跟踪给定电流iR变化。电流滞环跟踪控制逆变电路二电流滞环跟踪控制滞环跟踪方式的原理图

电流滞环跟踪控制逆变电路iL(if)