PWM原理详解

引引言言　PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）　第3章：直流斩波电路采用　本章主要内容　PWM控制技术在逆变电路中应用昀广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位；　本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。66..11PPWWMM控控制制的的基基本本原原理理　　采采样样控控制制理理论论基基础础　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；　将输出波形进行付氏分解，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。　典型惯性环节就是电感负载。图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲　一个实例图6-2a的电路　电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示　电路输出：i(t)，图6-2b　面积等效原理图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形f(t)δ(t)tO图61a)b)c)d)tOtOtOf(t)f(t)f(t)a)Ob)图tbdcai(t)i(t)e(t)　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波　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；　用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；　宽度按正弦规律变化。　SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形　要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可图6-3用PWM波代替正弦半波　PWM电流波：　电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波形。　PWM波形可等效成各种波形：　直流斩波电路：等效直流波形；　SPWM波：等效正弦波形；　还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。　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控制技术昀为重要的应用场合　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。66..22..11计计算算法法和和调调制制法法得得到到PPWWMM波波　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；　缺点是计算繁琐，工作量大，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。　调制法　输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；　通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；　等腰三角波应用昀多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。　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。　结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。　控制规律　uo正半周，V1通，V2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；　负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud；ωtOua)b)Ouωt　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；　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保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。　V1和V2通断互补，V3和V4通断互补。　uo正半周，对应于V1一直通，V2一直断，V3和V4交替通断；　当V4导通时，R,L两端电压为Ud，即uo等于Ud。当V3导通时，实际上此时电流从VD3进行续流，注意V3中并没有流过电流，R,L两端电压uo=0；　uo负半周，让V2一直通，V1一直断，V3和V4交替通断。导通规律和上面类似，注意续流的通道是V2和VD4。　同学们还需要注意一点，就是当uo刚刚由正半周进入负半周时，电流方向和电压方向相反，此时有一段向电源反向充电的续流过程。通过VD2和VD3进行续流。图6-4单相桥式PWM逆变电路调制法得到PWM波有两种方法：单极性和双极性。两者区别在于三角载波的不同。　单极性PWM控制方式：　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　ur负半周，V1保持断，V2保持通　当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud　当uruc时使V3断，V4通，uo=0　虚线uof表示uo的基波分量信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucurucuOωtOωtuouofuoUd-Ud图6-5单极性PWM控制方式波形　双极性PWM控制方式（单相桥逆变）　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　在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平　仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断　ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同　当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号　如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud66..22..11计计算算法法和和调调制制法法得得到到PPWWMM波波　当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号　如io0，V2和V3通，如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud　单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制图6-6双极性PWM控制方式波形　双极性PWM控制方式（单相桥逆变）　三相的PWM控制公用三角波载波uc　三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°urucuOωtOωtuouofuoUd-UdurucuOωtOωtuouofuoUd-Ud图6-7三相桥式PWM型逆变电路　U相的控制规律　当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2　当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN’=-Ud/2　当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通　uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平　uUV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　输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成　负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成　防直通死区时间　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死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波图6-8三相桥式PWM逆变电路波形调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UducurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdOωtOOOOOωtωtωtωtωt2Ud−2Ud2Ud−2Ud2Ud3Ud22Ud　特定谐波消去法(SelectedHarmo-nicEliminationPWM—SHEPWM)　这是计算法中一种较有代表性的方法，如图6-9　输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控图6-9特定谐波消去法的输出PWM波形　为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称　首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(6-1)　其次，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(6-2)　同时满足式（6-1）、（6-2）的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　图6-9，能独立控制　1、　2和　3共3个时刻。该波形的an为式中n=1,3,5,…确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得　1、　2和　3　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：OωtuoUd-Ud2ππa1a2a3)()(πωω+−=tutu)()(tutuωπω−=∑∞==Λ,5,3,1sin)(nntnatuωω∫=20dsin)(4πωωωπttntuan)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin2432120332211αααπωωωωωωωωππααααααnnnnUttnUttnUttnUttnUadddddn−+−=−++−+=∫∫∫∫给定a1，解方程可得　1、　2和　3。a1变，　1、　2和　3也相应改变　一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波　k越大，开关时刻的计算越复杂　除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍66..22..22异异步步调调制制和和同同步步调调制制　载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr　根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制1.异步调制　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　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2.同步调制　同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步　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　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　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　fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受图6-10同步调制三相PWM波形　分段同步调制(图6-11）　把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N不同　在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高=−+−==−+−=−+−=0)7cos27cos27cos21(720)5cos25cos25cos21(52)cos2cos2cos21(2321d7321d5321d1αααπαααπαααπUaUaUaucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud−2Ud　在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低　为防止fc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66..22..33规规则则采采样样法法　按SPWM基本原理，自然采样法　要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多　规则采样法特点　工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-12规则采样法　规则采样法原理　图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc　自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合　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　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