脉宽调制(PWM)技术-教案.ppt

Northeastern University,CHINA,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,现代电力电子及变流技术,第三章,脉宽调制,(PWM),技术,Northeastern University,CHINA,1,第三章 脉宽调制,(PWM),技术,引言,3.1 PWM,的基本原理,3.2 SPWM,的调制原理,3.3 SPWM,的调制方法,3.4 SPWM,的实现,3.5 SVPWM,的原理及实现,本章小结,Northeastern University,CHINA,2,引言,说明：,PWM,的思想源于通信技术，全控型器件的发展促进了,PWM,技术的应用和完善；,PWM,技术在,逆变电路,中的成功应用确定了它在电力电子技术中的重要地位；,PWM,技术以其对波形调制的灵活性和通用型，在电力电子领域得到了广泛的应用，成为电力变换器控制的基础。,PWM(Pulse Width Modulation),指,脉宽调制技术,：,通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的,波形（含形状和幅值,),。,Northeastern University,CHINA,3,3.1 PWM,的基本原理,理论基础,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,。,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,图,6-1,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,d),单位脉冲函数,f,(,t,),d,(,t,),t,O,a),矩形脉冲,b),三角形脉冲,c),正弦半波脉冲,t,O,t,O,t,O,f,(,t,),f,(,t,),f,(,t,),Northeastern University,CHINA,4,3.1 PWM,的基本原理,PWM,的调制思想,如何用一系列脉冲来代替一个正弦半波？,O,u,t,SPWM,波,O,u,t,O,u,t,固定幅值，使波形调制方案更具可实现性,Northeastern University,CHINA,5,3.1 PWM,的基本原理,PWM,的调制原理,如何改变正弦波形幅值？,O,u,t,SPWM,波,O,u,t,O,u,t,按同一比例改变,各脉冲宽度,如何改变正弦波形频率？,在脉冲周期不变,的条件下，,改变脉冲个数,Northeastern University,CHINA,6,3.1 PWM,的基本原理,SPWM,的调制,单极性,SPWM,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到,PWM,波形。,O,w,t,U,d,-U,d,双极性,SPWM,根据面积等效原理，正弦波还可等效为右图中的,PWM,波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,O,w,t,U,d,-,U,d,Northeastern University,CHINA,7,3.1 PWM,的基本原理,小结,PWM,波可等效的各种波形,直流斩波电路 直流波形,SPWM,波 正弦波形,等效成其他所需波形，如,:,所需波形,等效的,PWM,波,Northeastern University,CHINA,8,3.2 SPWM,的调制原理,注：,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,控制技术最为重要的应用场合。,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,SPWM,波形。,SPWM,生成的基本思想,Northeastern University,CHINA,9,3.2 SPWM,的调制原理,SPWM,生成的计算方法,特定谐波消去法,波形设计：,输出电压,半,周期内，器件通、断各,3,次（不包括,0,和,），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。,O,w,t,u,o,U,d,-,U,d,2,p,p,a,1,a,2,a,3,一种较有代表性的方法,Northeastern University,CHINA,10,3.2 SPWM,的调制原理,特定谐波消去法,波形计算,首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期对称，即,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,/2,为轴线对称,同时满足上两式的波形，用傅里叶级数表示为,式中：,Northeastern University,CHINA,11,3.2 SPWM,的调制原理,特定谐波消去法,波形计算,能独立控制,a,1,、,a,2,和,a,3,共,3,个时刻,该波形的,a,n,为,O,w,t,u,o,U,d,-,U,d,2,p,p,a,1,a,2,a,3,式中,n,=1,3,5,低次谐波幅值大,Northeastern University,CHINA,12,将两种特定频率谐波的幅值设,计为,0,，形成两个独立方程,特定谐波消去法,波形计算,在三相对称电路中，相电压所含的,3,次谐波相互抵消。可设计消去,5,次和,7,次谐波，则,正弦波幅值,3.2 SPWM,的调制原理,a,1,、,a,2,和,a,3,待求解的量？,还需要两个独立方程,可得,a,1,、,a,2,和,a,3,。,Northeastern University,CHINA,13,特定谐波消去法,小结,3.2 SPWM,的调制原理,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，消去的特定谐波越多，波形越理想，但开关时刻的计算越复杂。,有没有更好的产生,SPWM,的方法？这种方法能够取很大的,k,值又无需复杂的计算,Northeastern University,CHINA,14,单极性,SPWM,的调制方法,单相桥逆变,3.3 SPWM,的调制方法,u,r,正半周,，,V,1,保持,通,，,V,2,保持,断,当,u,r,u,c,时，使,V,4,通，,V,3,断，,u,o,=,U,d,；,当,u,r,u,c,时，使,V,4,通，,V,3,断，,u,o,=0,；,当,u,r,u,c,时,，,V,1,和,V,4,导通，,V,2,和,V,3,关断,i,o,0,时,，,V,1,和,V,4,工作，,u,o,=,U,d,；,i,o,u,c,时,，,V,2,和,V,3,导通，,V,1,和,V,4,关断,i,o,0,时,，,VD,2,和,VD,3,工作，,u,o,=-,U,d,。,Northeastern University,CHINA,16,双极性调制和单极性调制的比较,3.3 SPWM,的调制方法,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,u,r,u,c,u,O,w,t,O,w,t,u,o,u,of,u,o,U,d,-,U,d,对照两图可见，,单极性调制和双极性调制都适用于单相桥式电路。,由于对开关器件通断控制的规律不同，两种调制方式存在差异：,1,、输出波形有较大的差别；,2,、一个正弦周期的开关损耗不同；,3,、产生,IGBT,驱动信号的难易程度不同。,Northeastern University,CHINA,17,3.3 SPWM,的调制方法,三相,SPWM,的调制方法,三相,的,PWM,控制公用三角波载波,u,c,三相的调制信号,u,rU,、,u,rV,和,u,rW,依次相差,120,Northeastern University,CHINA,18,3.3 SPWM,的调制方法,三相,SPWMU,相分析,u,rU,u,0,t,0,0,0,0,0,t,t,t,t,t,u,rV,u,c,u,rW,u,UN,0.5,U,d,-0.5,U,d,u,VN,u,WN,U,d,-U,d,u,UV,u,UN,2,U,d,/3,U,d,/3,相电压分析：,u,rU,u,c,时，,V,1,通，,V,4,断，,u,UN,=,U,d,/2,；,u,rU,u,c,时，,V,4,通，,V,1,断，,u,UN,=-,U,d,/2,；,u,UN,、,u,VN,和,u,WN,的波形只有,U,d,/2,电平。,线电压分析：,u,UV,波形由,u,UN,-,u,VN,得出,当,1,和,6,通时，,u,UV,=,U,d,；,当,3,和,4,通时，,u,UV,=,U,d,；,当,1,和,3,或,4,和,6,通时，,u,UV,=0,。,线电压,PWM,波由,U,d,和,0,三种电平构成。,负载相电压分析：,负载相电压,PWM,波由,(2/3),U,d,、,(1/3),U,d,和,0,共,5,种电平组成。,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,死区时间会给输出的,PWM,波带来影响。,注：,Northeastern University,CHINA,19,同步调制和异步调制,1,）,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,f,c,固定不变,2,）,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,3.3 SPWM,的调制方法,Northeastern University,CHINA,20,规则采样法,为什么提出规则采用法？,按照,SPWM,的基本原理，,SPWM,波,的生成方法被称为自然采样法。这,种方法最大的问题是：用软件算法,不易实现,在工程应用中很少采用自然采样法,工程应用中，采用软件,生成,SPWM,是主流方向,3.4 PWM,的实现,Northeastern University,CHINA,21,规则采样法,一种工程实用方法,u,c,u,O,t,u,r,T,c,A,D,B,O,t,u,o,t,A,t,D,t,B,d,d,d,2,d,2,d,方法,脉冲中点,D,时刻的,u,r,采样值与三角波比较，确定,A,、,B,点，在,t,A,和,t,B,时刻控制开关器件的通断。,特点,脉冲宽度,d,和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近；,计算大为减化。,设三角波两个正峰值之间为一个采样周期,T,c,3.4 PWM,的实现,Northeastern University,CHINA,22,3.4 PWM,的实现,闭环方法,滞环比较方式,跟踪控制方法,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。,三角波比较方式,Northeastern University,CHINA,23,2025/7/4 周五,24,3.5 SVPWM,的原理及实现,SVPWM,？,空间矢量脉宽调制,最初来源：,电机的控制问题,新的观点：,正弦波逆变器的几何方法,方法：,借助于坐标变换,(clark,和,park,变换,),，建立三相静止坐标系与同步旋转坐标系的联系，进而建立圆旋转的空间矢量与三相正弦波的联系，通过实现圆旋转的空间矢量，生成三相,SPWM,。,Michael J.Ryan,等，,98,年,Northeastern University,CHINA,25,单相逆变器结构特点,电路结构特征：,2,个桥臂,输出电压：,结构分析：,每个桥臂存在,2,个开关状态,桥臂上开关通,(,用,S,a,=1,描述,),；,桥臂下开关通,(,用,S,a,=0,描述,),。,逆变器共有,4,种开关状态,S,a,S,b,：,00,，,01,，,10,，,11,。,开关状态与电压的关系,3.5 SVPWM,的原理及实现,结构特点,两个桥臂电压,V,ag,和,V,bg,分别独立,可控,控制存在两个自由度；,由于连接了负载，输出电压,V,ab,具有唯一性,只有一个自由度。,如何分析两维的桥臂电压和,一维的输出电压之间的联系？,Northeastern University,CHINA,26,几何分析方法,矢量空间,桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别,代表两个垂直方向,桥臂电压空间；,输出电压只有一个自由度，构成一维空间,输出电压空间。,3.5 SVPWM,的原理及实现,桥臂电压和输出电压的联系,采用投影方式建立联系；,开关状态,(00),，,(11),形成的两个桥臂电压,对应一个输出电压,(0V),。,这一投影具有唯一性,Northeastern University,CHINA,27,投影关系,V,0,是零序电压,逆变器控制方法,V,0,*,为一定范围的任意数,注：,V,0,*,取,常数,（如,V,i,）时，,Vag,和,Vbg,的驱动波形可以设计。例：,V,ab,*,取,0.5,V,i,，,V,0,*,取,V,i,V,ag,取,0.75,V,i,，,V,bg,取,0.25,V,i,3.5 SVPWM,的原理及实现,V,0,*,取其他值会怎样？,V,0,*,有没有一个取值原则？,Northeastern University,CHINA,28,3.5 SVPWM,的原理及实现,三相逆变器结构特点,结构特征：,3,个桥臂,电路特征：,结构分析：,每个桥臂存在,2,个开关状态,桥臂上开关通,(,用,S,a,=1,描述,),；,桥臂下开关通,(,用,S,a,=0,描述,),。,逆变器共有,8,种开关状态，,S,a,S,b,：,000,，,001,，,010,，,011,，,100,，,101,，,110,，,111,。,结构特点,三个桥臂电压,V,ag,、,V,bg,和,V,cg,分别,独立可控,控制存在三个自由度；,由于连接了负载，输出电压,V,an,、,V,bn,和,V,cn,存在耦合关系,只有两个自由度。,开关状态与,桥臂电压的,关系,如何分析三维,桥臂电压和两,维输出电压之,间的联系？,Northeastern University,CHINA,29,几何分析方法,矢量空间,桥臂电压构成三维空间，三个自由度分别代表三个垂直方向,桥臂电压空间；,输出电压只有两个自由度，构成两维空间,输出电压空间。,3.5 SVPWM,的原理及实现,桥臂电压和输出电压的联系,采用投影方式建立联系；,开关状态,(000),，,(111),形成的两个桥臂电压,对应一个输出电压矢量点,(,V,an,V,bn,V,cn,),=,(0,0,0),。,这一投影具有唯一性,Northeastern University,CHINA,30,投影关系,3.5 SVPWM,的原理及实现,根据实际情况自动调整投影比例,开关状态与输出电压的关系,Northeastern University,CHINA,31,解耦投影关系,(Clark,变换,),3.5 SVPWM,的原理及实现,V,0,是零序电压,Northeastern University,CHINA,32,电压变换关系,逆变器控制方法,V,0,*,取,0,3.5 SVPWM,的原理及实现,Vd*,和,Vq*,如何设计？,Northeastern University,CHINA,33,3.5 SVPWM,的原理及实现,SVPWM,思想,开关状态与电压矢量的关系,电压矢量的空间位置,U,m,U,m,t,0,2,u,A,u,C,u,B,电压矢量轨迹,Northeastern University,CHINA,34,3.5 SVPWM,的原理及实现,SVPWM,的思想：,对一个给定理想参考电压矢量，用这,8,种开关状态逼近它。,电压矢量如何实现？,待解决问题：,参考矢量由开关状态矢量合成,哪几个开关状态矢量？,如何合成？,如何实现这种矢量合成？,Northeastern University,CHINA,35,三相,SVPWM,思想,3,号扇区为例,的合成：,由 、合成。,相邻矢量,零矢量,合成构思：,T,0,为,0,或,7,矢量 工作时间,3.5 SVPWM,的原理及实现,Northeastern University,CHINA,36,3.5 SVPWM,的原理及实现,待解决问题,哪一扇区,各矢量工作时间,开关驱动,SVPWM,实现,步骤,1,：扇区的确定,步骤,2,：矢量的分解,步骤,3,：驱动波形的生成,输入：空间矢量的坐标,输出：驱动开关管的信号,Northeastern University,CHINA,37,三相,SVPWM,的实现,扇区的确定,3.5 SVPWM,的原理及实现,没有,1,1,1,V,（,6,）,0,1,1,III,（,5,）,1,0,1,IV,（,4,）,0,0,1,I,（,3,）,1,1,0,VI,（,2,）,0,1,0,II,（,1,）,1,0,0,没有,0,0,0,扇区（标识码）,六个扇区由三条直线划分,Northeastern University,CHINA,38,三相,SVPWM,的实现,矢量的分解,设：,4,号矢量（前矢量）作用时间为,T,x,；,6,号矢量（后矢量）作用时间为,T,y,；,零矢量作用时间为,T,0,，周期,T,。,3.5 SVPWM,的原理及实现,注：不同的扇区得到不同的表达式，,但这些表达式有一定规律。,Northeastern University,CHINA,39,三相,SVPWM,的实现,矢量的分解,不同扇区相邻矢量工作时间表达式,不同扇区的矢量分解,扇区号,I,II,III,IV,V,VI,T,x,-Z,Z,X,-X,-Y,Y,T,y,X,Y,-Y,Z,-Z,-X,3.5 SVPWM,的原理及实现,Northeastern University,CHINA,40,三相,SVPWM,的实现,驱动波形的生成,3.5 SVPWM,的原理及实现,根据相邻矢量工作时间,T,x,、,T,y,确定三相比较值,确定各相比较值，以,3,号扇区为例,T,A,为,A,桥臂导通时间；,T,B,为,B,桥臂导通时间；,T,C,为,C,桥臂导通时间,有效矢量为,0,，,4,，,6,，,7,Northeastern University,CHINA,41,三相,SVPWM,的实现,驱动波形的生成,3.5 SVPWM,的原理及实现,矢量为,0,，,4,，,6,，,7,Northeastern University,CHINA,42,三相,SVPWM,的实现,驱动波形的生成,如果桥臂导通时间不是,就会由其他的矢量组合，实现其他扇区的参考矢量,1,号扇区，矢量为,0,，,2,，,6,，,7,3.5 SVPWM,的原理及实现,不同的赋值方式会生成不同扇区参考矢量的驱动信号,Northeastern University,CHINA,43,三相,SVPWM,的实现,驱动波形的生成,不同扇区的赋值方式,扇区,I,II,III,IV,V,VI,T,A,T,cm,1,T,cm,2,T,cm,3,T,cm,3,T,cm,2,T,cm,1,T,B,T,cm,2,T,cm,1,T,cm,1,T,cm,2,T,cm,3,T,cm,3,T,C,T,cm,3,T,cm,3,T,cm,2,T,cm,1,T,cm,1,T,cm,2,3.5 SVPWM,的原理及实现,Northeastern University,CHINA,44,小结,PWM,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善给,PWM,控制技术提供了强大的物质基础。,Northeastern University,CHINA,45,小结,PWM,技术用于直流斩波电路,直流斩波电路实际上就是直流,PWM,电路，是,PWM,控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的,直流脉宽调速系统,。,PWM,技术用于逆变电路,PWM,控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。,正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了,PWM,控制技术在电力电子技术中的突出地位。,除功率很大的逆变装置外，不用,PWM,控制的逆变电路已十分少见。,PWM,控制技术用于整流电路,PWM,控制技术用于整流电路即构成,PWM,整流电路。,可看成逆变电路中的,PWM,技术向整流电路的延伸。,PWM,整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。,Northeastern University,CHINA,46,2025/7/4 周五,47,