脉冲宽度调制45985.doc

1、脉 冲 宽 度 调 制 脉 冲 宽 度 调 制 (PWM)，是 英 文 “Pulse Width Modulation”的 缩 写 ，简 称脉 宽 调 制 ，是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路 进 行 控 制 的 一 种 非 常有 效 的 技 术 ，广 泛 应 用 在 从 测 量 、通 信 到 功 率 控 制 与 变 换 的 许 多 领 域 中 。 脉 冲 宽 度 调 制 是 一 种 模 拟 控 制 方 式 ，其 根 据 相 应 载 荷 的 变 化 来 调 制 晶 体管 栅 极 或 基 极 的 偏 置 ，来 实 现 开 关 稳 压 电 源 输 出 晶 体 管

2、 或 晶 体 管 导 通 时 间的 改 变 ，这 种 方 式 能 使 电 源 的 输 出 电 压 在 工 作 条 件 变 化 时 保 持 恒 定 ，是 利 用微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路 进 行 控 制 的 一 种 非 常 有 效 的 技 术 。 PWM 控 制 技 术 以 其 控 制 简 单 ,灵 活 和 动 态 响 应 好 的 优 点 而 成 为 电 力 电子 技 术 最 广 泛 应 用 的 控 制 方 式 ,也 是 人 们 研 究 的 热 点 .由 于 当 今 科 学 技 术 的发 展 已 经 没 有 了 学 科 之 间 的 界 限 ,结 合 现 代 控 制

3、 理 论 思 想 或 实 现 无 谐 振 软 开关 技 术 将 会 成 为 PWM 控 制 技 术 发 展 的 主 要 方 向 之 一 。 一 、脉 冲 宽 度 调 制 基 本 原 理随 着 电 子 技 术 的 发 展 ，出 现 了 多 种 PWM 技 术 ，其 中 包 括 ：相 电 压 控 制 PWM、脉 宽 PWM 法 、随 机 PWM、SPWM 法 、线 电 压 控 制 PWM 等 ，而 在 镍氢 电 池 智 能 充 电 器 中 采 用 的 脉 宽 PWM 法 ，它 是 把 每 一 脉 冲 宽 度 均 相 等 的脉 冲 列 作 为 PWM 波 形 ，通 过 改 变 脉 冲 列 的 周 期

4、 可 以 调 频 ，改 变 脉 冲 的 宽 度或 占 空 比 可 以 调 压 ，采 用 适 当 控 制 方 法 即 可 使 电 压 与 频 率 协 调 变 化 。可 以 通过 调 整 PWM 的 周 期 、PWM 的 占 空 比 （占 空 比 是 高 电 平 所 占 周 期 时 间 与 整个 周 期 时 间 的 比 值 。）而 达 到 控 制 充 电 电 流 的 目 的 。模 拟 信 号 的 值 可 以 连 续 变 化 ，其 时 间 和 幅 度 的 分 辨 率 都 没 有 限 制 。9V 电池 就 是 一 种 模 拟 器 件 ，因 为 它 的 输 出 电 压 并 不 精 确 地 等 于 9V，

5、而 是 随 时 间发 生 变 化 ，并 可 取 任 何 实 数 值 。与 此 类 似 ，从 电 池 吸 收 的 电 流 也 不 限 定 在 一组 可 能 的 取 值 范 围 之 内 。模 拟 信 号 与 数 字 信 号 的 区 别 在 于 后 者 的 取 值 通 常只 能 属 于 预 先 确 定 的 可 能 取 值 集 合 之 内 ，例 如 在 0V, 5V这 一 集 合 中 取 值 。 模 拟 电 压 和 电 流 可 直 接 用 来 进 行 控 制 ，如 对 汽 车 收 音 机 的 音 量 进 行 控 制。在 简 单 的 模 拟 收 音 机 中 ，音 量 旋 钮 被 连 接 到 一 个 可

6、变 电 阻 。拧 动 旋 钮 时 ，电 阻 值 变 大 或 变 小 ；流 经 这 个 电 阻 的 电 流 也 随 之 增 加 或 减 少 ，从 而 改 变 了 驱动 扬 声 器 的 电 流 值 ，使 音 量 相 应 变 大 或 变 小 。与 收 音 机 一 样 ，模 拟 电 路 的 输出 与 输 入 成 线 性 比 例 。 尽 管 模 拟 控 制 看 起 来 可 能 直 观 而 简 单 ，但 它 并 不 总 是 非 常 经 济 或 可 行 的。其 中 一 点 就 是 ，模 拟 电 路 容 易 随 时 间 漂 移 ，因 而 难 以 调 节 。能 够 解 决 这 个问 题 的 精 密 模 拟 电

7、路 可 能 非 常 庞 大 、笨 重 (如 老 式 的 家 庭 立 体 声 设 备 )和 昂 贵。模 拟 电 路 还 有 可 能 严 重 发 热 ，其 功 耗 相 对 于 工 作 元 件 两 端 电 压 与 电 流 的 乘积 成 正 比 。模 拟 电 路 还 可 能 对 噪 声 很 敏 感 ，任 何 扰 动 或 噪 声 都 肯 定 会 改 变 电流 值 的 大 小 。 通 过 以 数 字 方 式 控 制 模 拟 电 路 ，可 以 大 幅 度 降 低 系 统 的 成 本 和 功 耗 。此外 ，许 多 微 控 制 器 和 DSP 已 经 在 芯 片 上 包 含 了 PWM 控 制 器 ，这 使 数

8、 字 控制 的 实 现 变 得 更 加 容 易 了 。 二 、脉 冲 宽 度 调 制 具 体 过 程脉 冲 宽 度 调 制 （PWM）是 一 种 对 模 拟 信 号 电 平 进 行 数 字 编 码 的 方 法 。通过 高 分 辨 率 计 数 器 的 使 用 ，方 波 的 占 空 比 被 调 制 用 来 对 一 个 具 体 模 拟 信 号的 电 平 进 行 编 码 。PWM 信 号 仍 然 是 数 字 的 ，因 为 在 给 定 的 任 何 时 刻 ，满 幅值 的 直 流 供 电 要 么 完 全 有 (ON)，要 么 完 全 无 (OFF)。电 压 或 电 流 源 是 以 一 种通 (ON)或 断

9、 (OFF)的 重 复 脉 冲 序 列 被 加 到 模 拟 负 载 上 去 的 。通 的 时 候 即 是直 流 供 电 被 加 到 负 载 上 的 时 候 ，断 的 时 候 即 是 供 电 被 断 开 的 时 候 。只 要 带 宽足 够 ，任 何 模 拟 值 都 可 以 使 用 PWM 进 行 编 码 。 多 数 负 载 (无 论 是 电 感 性 负 载 还 是 电 容 性 负 载 )需 要 的 调 制 频 率 高 于 10Hz，通 常 调 制 频 率 为 1kHz 到 200kHz 之 间 。 许 多 微 控 制 器 内 部 都 包 含 有 PWM 控 制 器 。例 如 ，Microchip

10、 公 司 的 PIC16C67 内 含 两 个 PWM 控 制 器 ，每 一 个 都 可 以 选 择 接 通 时 间 和 周 期 。占 空 比是 接 通 时 间 与 周 期 之 比 ；调 制 频 率 为 周 期 的 倒 数 。执 行 PWM 操 作 之 前 ，这种 微 处 理 器 要 求 在 软 件 中 完 成 以 下 工 作 ： 1、设 置 提 供 调 制 方 波 的 片 上 定 时 器 /计 数 器 的 周 期 2、 在 PWM 控 制 寄 存 器 中 设 置 接 通 时 间 3、设 置 PWM 输 出 的 方 向 ，这 个 输 出 是 一 个 通 用 I/O 管 脚 4、启 动 定 时

11、器 5、使 能 PWM 控 制 器 三 、脉 冲 宽 度 调 制 的 优 点PWM 的 一 个 优 点 是 从 处 理 器 到 被 控 系 统 信 号 都 是 数 字 形 式 的 ，无 需 进行 数 模 转 换 。让 信 号 保 持 为 数 字 形 式 可 将 噪 声 影 响 降 到 最 小 。噪 声 只 有 在 强到 足 以 将 逻 辑 1 改 变 为 逻 辑 0 或 将 逻 辑 0 改 变 为 逻 辑 1 时 ，也 才 能 对 数 字信 号 产 生 影 响 。 对 噪 声 抵 抗 能 力 的 增 强 是 PWM 相 对 于 模 拟 控 制 的 另 外 一 个 优 点 ，而 且这 也 是 在

12、 某 些 时 候 将 PWM 用 于 通 信 的 主 要 原 因 。从 模 拟 信 号 转 向 PWM可 以 极 大 地 延 长 通 信 距 离 。在 接 收 端 ，通 过 适 当 的 RC 或 LC 网 络 可 以 滤 除调 制 高 频 方 波 并 将 信 号 还 原 为 模 拟 形 式 。 总 之 ，PWM 既 经 济 、节 约 空 间 、抗 噪 性 能 强 ，是 一 种 值 得 广 大 工 程 师 在许 多 设 计 应 用 中 使 用 的 有 效 技 术 。 四 、脉 冲 宽 度 调 制 控 制 方 法采 样 控 制 理 论 中 有 一 个 重 要 结 论 :冲 量 相 等 而 形 状

13、不 同 的 窄 脉 冲 加 在 具有 惯 性 的 环 节 上 时 ,其 效 果 基 本 相 同 .PWM 控 制 技 术 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基础 ,对 半 导 体 开 关 器 件 的 导 通 和 关 断 进 行 控 制 ,使 输 出 端 得 到 一 系 列 幅 值 相等 而 宽 度 不 相 等 的 脉 冲 ,用 这 些 脉 冲 来 代 替 正 弦 波 或 其 他 所 需 要 的 波 形 .按一 定 的 规 则 对 各 脉 冲 的 宽 度 进 行 调 制 ,既 可 改 变 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 大 小 ,也 可 改 变 输 出 频 率 . PWM 控 制 的 基

14、本 原 理 很 早 就 已 经 提 出 ,但 是 受 电 力 电 子 器 件 发 展 水 平的 制 约 ,在 上 世 纪 80 年 代 以 前 一 直 未 能 实 现 .直 到 进 入 上 世 纪 80 年 代 ,随 着全 控 型 电 力 电 子 器 件 的 出 现 和 迅 速 发 展 ,PWM 控 制 技 术 才 真 正 得 到 应 用 .随着 电 力 电 子 技 术 ,微 电 子 技 术 和 自 动 控 制 技 术 的 发 展 以 及 各 种 新 的 理 论 方 法 ,如现 代 控 制 理 论 ,非 线 性 系 统 控 制 思 想 的 应 用 ,PWM 控 制 技 术 获 得 了 空 前

15、的 发展 .到 目 前 为 止 ,已 出 现 了 多 种 PWM 控 制 技 术 ,根 据 PWM 控 制 技 术 的 特 点 ,到 目 前 为 止 主 要 有 以 下 8 类 方 法 . 4.1、相 电 压 控 制 PWM4.1.1、 等 脉 宽 PWM 法 1 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装 置 在 早 期 是 采 用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控 制 技 术 来 实 现 的 ,其 逆 变 器 部 分 只 能 输 出频 率 可 调 的 方 波 电 压 而 不 能 调 压 .等 脉 宽 PWM 法 正

16、是 为 了 克 服 PAM 法 的这 个 缺 点 发 展 而 来 的 ,是 PWM 法 中 最 为 简 单 的 一 种 .它 是 把 每 一 脉 冲 的 宽度 均 相 等 的 脉 冲 列 作 为 PWM 波 ,通 过 改 变 脉 冲 列 的 周 期 可 以 调 频 ,改 变 脉冲 的 宽 度 或 占 空 比 可 以 调 压 ,采 用 适 当 控 制 方 法 即 可 使 电 压 与 频 率 协 调 变 化 .相对 于 PAM 法 ,该 方 法 的 优 点 是 简 化 了 电 路 结 构 ,提 高 了 输 入 端 的 功 率 因 数 ,但 同 时 也 存 在 输 出 电 压 中 除 基 波 外 ,

17、还 包 含 较 大 的 谐 波 分 量 . 4.1.2、随 机 PWM 在 上 世 纪 70 年 代 开 始 至 上 世 纪 80 年 代 初 ,由 于 当 时 大 功 率 晶 体 管 主 要为 双 极 性 达 林 顿 三 极 管 ,载 波 频 率 一 般 不 超 过 5kHz,电 机 绕 组 的 电 磁 噪 音 及谐 波 造 成 的 振 动 引 起 了 人 们 的 关 注 .为 求 得 改 善 ,随 机 PWM 方 法 应 运 而 生 .其 原 理 是 随 机 改 变 开 关 频 率 使 电 机 电 磁 噪 音 近 似 为 限 带 白 噪 声 (在 线 性 频 率坐 标 系 中 ,各 频 率

18、 能 量 分 布 是 均 匀 的 ),尽 管 噪 音 的 总 分 贝 数 未 变 ,但 以 固 定 开关 频 率 为 特 征 的 有 色 噪 音 强 度 大 大 削 弱 .正 因 为 如 此 ,即 使 在 IGBT 已 被 广 泛应 用 的 今 天 ,对 于 载 波 频 率 必 须 限 制 在 较 低 频 率 的 场 合 ,随 机 PWM 仍 然 有其 特 殊 的 价 值 ;另 一 方 面 则 说 明 了 消 除 机 械 和 电 磁 噪 音 的 最 佳 方 法 不 是 盲 目地 提 高 工 作 频 率 ,随 机 PWM 技 术 正 是 提 供 了 一 个 分 析 ,解 决 这 种 问 题 的

19、全新 思 路 . 4.1.3、SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法 是 一 种 比 较 成 熟 的 ,目 前 使 用 较 广 泛 的 PWM 法 .前 面 提 到 的 采 样 控 制 理 论 中 的 一 个 重 要 结 论 :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 .SPWM 法 就 是 以 该 结 论为 理 论 基 础 ,用 脉 冲 宽 度 按 正 弦 规 律 变 化 而 和 正 弦 波 等 效 的 PWM 波 形 即 SPWM 波 形 控 制 逆 变 电 路 中 开 关 器 件 的 通

20、断 ,使 其 输 出 的 脉 冲 电 压 的 面 积 与所 希 望 输 出 的 正 弦 波 在 相 应 区 间 内 的 面 积 相 等 ,通 过 改 变 调 制 波 的 频 率 和 幅值 则 可 调 节 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 频 率 和 幅 值 .该 方 法 的 实 现 有 以 下 几 种 方 案 . 4.1.3.1、等 面 积 法 该 方 案 实 际 上 就 是 SPWM 法 原 理 的 直 接 阐 释 ,用 同 样 数 量 的 等 幅 而 不 等宽 的 矩 形 脉 冲 序 列 代 替 正 弦 波 ,然 后 计 算 各 脉 冲 的 宽 度 和 间 隔 ,并 把 这 些 数据 存

21、 于 微 机 中 ,通 过 查 表 的 方 式 生 成 PWM 信 号 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,以 达到 预 期 的 目 的 .由 于 此 方 法 是 以 SPWM 控 制 的 基 本 原 理 为 出 发 点 ,可 以 准 确地 计 算 出 各 开 关 器 件 的 通 断 时 刻 ,其 所 得 的 的 波 形 很 接 近 正 弦 波 ,但 其 存 在计 算 繁 琐 ,数 据 占 用 内 存 大 ,不 能 实 时 控 制 的 缺 点 . 4.1.3.2、硬 件 调 制 法 硬 件 调 制 法 是 为 解 决 等 面 积 法 计 算 繁 琐 的 缺 点 而 提 出 的 ,其 原 理

22、就 是 把所 希 望 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 波 的 调制 得 到 所 期 望 的 PWM 波 形 .通 常 采 用 等 腰 三 角 波 作 为 载 波 ,当 调 制 信 号 波为 正 弦 波 时 ,所 得 到 的 就 是 SPWM 波 形 .其 实 现 方 法 简 单 ,可 以 用 模 拟 电 路 构成 三 角 波 载 波 和 正 弦 调 制 波 发 生 电 路 ,用 比 较 器 来 确 定 它 们 的 交 点 ,在 交 点时 刻 对 开 关 器 件 的 通 断 进 行 控 制 ,就 可 以 生 成 SPWM 波

23、 .但 是 ,这 种 模 拟 电 路结 构 复 杂 ,难 以 实 现 精 确 的 控 制 . 4.1.3.3、软 件 生 成 法 由 于 微 机 技 术 的 发 展 使 得 用 软 件 生 成 SPWM 波 形 变 得 比 较 容 易 ,因 此 ,软 件 生 成 法 也 就 应 运 而 生 .软 件 生 成 法 其 实 就 是 用 软 件 来 实 现 调 制 的 方 法 ,其 有 两 种 基 本 算 法 ,即 自 然 采 样 法 和 规 则 采 样 法 . 4.1.3.3.1、自 然 采 样 法 2 以 正 弦 波 为 调 制 波 ,等 腰 三 角 波 为 载 波 进 行 比 较 ,在 两 个

24、 波 形 的 自 然 交 点时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,这 就 是 自 然 采 样 法 .其 优 点 是 所 得 SPWM 波 形 最接 近 正 弦 波 ,但 由 于 三 角 波 与 正 弦 波 交 点 有 任 意 性 ,脉 冲 中 心 在 一 个 周 期 内不 等 距 ,从 而 脉 宽 表 达 式 是 一 个 超 越 方 程 ,计 算 繁 琐 ,难 以 实 时 控 制 . 4.1.3.3.2、规 则 采 样 法 3 规 则 采 样 法 是 一 种 应 用 较 广 的 工 程 实 用 方 法 ,一 般 采 用 三 角 波 作 为 载 波 .其 原 理 就 是 用 三 角 波

25、对 正 弦 波 进 行 采 样 得 到 阶 梯 波 ,再 以 阶 梯 波 与 三 角 波 的交 点 时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 ,从 而 实 现 SPWM 法 .当 三 角 波 只 在 其 顶 点 (或 底 点 )位 置 对 正 弦 波 进 行 采 样 时 ,由 阶 梯 波 与 三 角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (即 采 样 周 期 )内 的 位 置 是 对 称 的 ,这 种 方 法 称 为 对 称 规 则 采样 .当 三 角 波 既 在 其 顶 点 又 在 底 点 时 刻 对 正 弦 波 进 行 采 样 时 ,由 阶 梯 波 与 三

26、角 波 的 交 点 所 确 定 的 脉 宽 ,在 一 个 载 波 周 期 (此 时 为 采 样 周 期 的 两 倍 )内 的 位置 一 般 并 不 对 称 ,这 种 方 法 称 为 非 对 称 规 则 采 样 . 规 则 采 样 法 是 对 自 然 采 样 法 的 改 进 ,其 主 要 优 点 就 是 是 计 算 简 单 ,便 于 在线 实 时 运 算 ,其 中 非 对 称 规 则 采 样 法 因 阶 数 多 而 更 接 近 正 弦 .其 缺 点 是 直 流电 压 利 用 率 较 低 ,线 性 控 制 范 围 较 小 . 以 上 两 种 方 法 均 只 适 用 于 同 步 调 制 方 式 中

27、. 4.1.3.4、低 次 谐 波 消 去 法 2 低 次 谐 波 消 去 法 是 以 消 去 PWM 波 形 中 某 些 主 要 的 低 次 谐 波 为 目 的 的 方法 .其 原 理 是 对 输 出 电 压 波 形 按 傅 氏 级 数 展 开 ,表 示 为 u(t)=ansinnt,首 先确 定 基 波 分 量 a1 的 值 ,再 令 两 个 不 同 的 an=0,就 可 以 建 立 三 个 方 程 ,联 立 求解 得 a1,a2 及 a3,这 样 就 可 以 消 去 两 个 频 率 的 谐 波 . 该 方 法 虽 然 可 以 很 好 地 消 除 所 指 定 的 低 次 谐 波 ,但 是

28、,剩 余 未 消 去 的 较 低次 谐 波 的 幅 值 可 能 会 相 当 大 ,而 且 同 样 存 在 计 算 复 杂 的 缺 点 .该 方 法 同 样 只适 用 于 同 步 调 制 方 式 中 . 4.1.4、梯 形 波 与 三 角 波 比 较 法 2 前 面 所 介 绍 的 各 种 方 法 主 要 是 以 输 出 波 形 尽 量 接 近 正 弦 波 为 目 的 ,从 而忽 视 了 直 流 电 压 的 利 用 率 ,如 SPWM 法 ,其 直 流 电 压 利 用 率 仅 为 86.6%.因此 ,为 了 提 高 直 流 电 压 利 用 率 ,提 出 了 一 种 新 的 方 法 -梯 形 波

29、与 三 角 波 比 较 法 .该方 法 是 采 用 梯 形 波 作 为 调 制 信 号 ,三 角 波 为 载 波 ,且 使 两 波 幅 值 相 等 ,以 两 波的 交 点 时 刻 控 制 开 关 器 件 的 通 断 实 现 PWM 控 制 . 由 于 当 梯 形 波 幅 值 和 三 角 波 幅 值 相 等 时 ,其 所 含 的 基 波 分 量 幅 值 已 超 过了 三 角 波 幅 值 ,从 而 可 以 有 效 地 提 高 直 流 电 压 利 用 率 .但 由 于 梯 形 波 本 身 含有 低 次 谐 波 ,所 以 输 出 波 形 中 含 有 5 次 ,7 次 等 低 次 谐 波 . 4.2、线

30、 电 压 控 制 PWM前 面 所 介 绍 的 各 种 PWM 控 制 方 法 用 于 三 相 逆 变 电 路 时 ,都 是 对 三 相 输出 相 电 压 分 别 进 行 控 制 的 ,使 其 输 出 接 近 正 弦 波 ,但 是 ,对 于 像 三 相 异 步 电 动机 这 样 的 三 相 无 中 线 对 称 负 载 ,逆 变 器 输 出 不 必 追 求 相 电 压 接 近 正 弦 ,而 可着 眼 于 使 线 电 压 趋 于 正 弦 .因 此 ,提 出 了 线 电 压 控 制 PWM,主 要 有 以 下 两 种方 法 . 4.2.1、马 鞍 形 波 与 三 角 波 比 较 法 马 鞍 形 波

31、与 三 角 波 比 较 法 也 就 是 谐 波 注 入 PWM 方 式 (HIPWM),其 原 理是 在 正 弦 波 中 加 入 一 定 比 例 的 三 次 谐 波 ,调 制 信 号 便 呈 现 出 马 鞍 形 ,而 且 幅值 明 显 降 低 ,于 是 在 调 制 信 号 的 幅 值 不 超 过 载 波 幅 值 的 情 况 下 ,可 以 使 基 波幅 值 超 过 三 角 波 幅 值 ,提 高 了 直 流 电 压 利 用 率 .在 三 相 无 中 线 系 统 中 ,由 于 三次 谐 波 电 流 无 通 路 ,所 以 三 个 线 电 压 和 线 电 流 中 均 不 含 三 次 谐 波 4. 除 了

32、 可 以 注 入 三 次 谐 波 以 外 ,还 可 以 注 入 其 他 3 倍 频 于 正 弦 波 信 号 的 其他 波 形 ,这 些 信 号 都 不 会 影 响 线 电 压 .这 是 因 为 ,经 过 PWM 调 制 后 逆 变 电 路 输 出 的 相 电 压 也 必 然 包 含 相应 的 3 倍 频 于 正 弦 波 信 号 的 谐 波 ,但 在 合 成 线 电 压 时 ,各 相 电 压 中 的 这 些 谐波 将 互 相 抵 消 ,从 而 使 线 电 压 仍 为 正 弦 波 . 4.2.2、单 元 脉 宽 调 制 法 5 因 为 ,三 相 对 称 线 电 压 有 Uuv+Uvw+Uwu=0

33、的 关 系 ,所 以 ,某 一 线 电 压 任何 时 刻 都 等 于 另 外 两 个 线 电 压 负 值 之 和 .现 在 把 一 个 周 期 等 分 为 6 个 区 间 ,每 区 间 60,对 于 某 一 线 电 压 例 如 Uuv,半 个 周 期 两 边 60区 间 用 Uuv 本 身 表示 ,中 间 60区 间 用 -(Uvw+Uwu)表 示 ,当 将 Uvw 和 Uwu 作 同 样 处 理 时 ,就 可以 得 到 三 相 线 电 压 波 形 只 有 半 周 内 两 边 60区 间 的 两 种 波 形 形 状 ,并 且 有 正有 负 .把 这 样 的 电 压 波 形 作 为 脉 宽 调

34、制 的 参 考 信 号 ,载 波 仍 用 三 角 波 ,并 把 各区 间 的 曲 线 用 直 线 近 似 (实 践 表 明 ,这 样 做 引 起 的 误 差 不 大 ,完 全 可 行 ),就 可以 得 到 线 电 压 的 脉 冲 波 形 ,该 波 形 是 完 全 对 称 ,且 规 律 性 很 强 ,负 半 周 是 正 半周 相 应 脉 冲 列 的 反 相 ,因 此 ,只 要 半 个 周 期 两 边 60区 间 的 脉 冲 列 一 经 确 定 ,线 电 压 的 调 制 脉 冲 波 形 就 唯 一 地 确 定 了 .这 个 脉 冲 并 不 是 开 关 器 件 的 驱 动 脉冲 信 号 ,但 由 于

35、 已 知 三 相 线 电 压 的 脉 冲 工 作 模 式 ,就 可 以 确 定 开 关 器 件 的 驱动 脉 冲 信 号 了 . 该 方 法 不 仅 能 抑 制 较 多 的 低 次 谐 波 ,还 可 减 小 开 关 损 耗 和 加 宽 线 性 控 制区 ,同 时 还 能 带 来 用 微 机 控 制 的 方 便 ,但 该 方 法 只 适 用 于 异 步 电 动 机 ,应 用 范围 较 小 . 4.3、电 流 控 制 PWM电 流 控 制 PWM 的 基 本 思 想 是 把 希 望 输 出 的 电 流 波 形 作 为 指 令 信 号 ,把实 际 的 电 流 波 形 作 为 反 馈 信 号 ,通 过

36、 两 者 瞬 时 值 的 比 较 来 决 定 各 开 关 器 件 的通 断 ,使 实 际 输 出 随 指 令 信 号 的 改 变 而 改 变 .其 实 现 方 案 主 要 有 以 下 3 种 . 4.3.1、滞 环 比 较 法 4 这 是 一 种 带 反 馈 的 PWM 控 制 方 式 ,即 每 相 电 流 反 馈 回 来 与 电 流 给 定 值经 滞 环 比 较 器 ,得 出 相 应 桥 臂 开 关 器 件 的 开 关 状 态 ,使 得 实 际 电 流 跟 踪 给 定电 流 的 变 化 .该 方 法 的 优 点 是 电 路 简 单 ,动 态 性 能 好 ,输 出 电 压 不 含 特 定 频

37、率的 谐 波 分 量 .其 缺 点 是 开 关 频 率 不 固 定 造 成 较 为 严 重 的 噪 音 ,和 其 他 方 法 相比 ,在 同 一 开 关 频 率 下 输 出 电 流 中 所 含 的 谐 波 较 多 . 4.3.2、三 角 波 比 较 法 2 该 方 法 与 SPWM 法 中 的 三 角 波 比 较 方 式 不 同 ,这 里 是 把 指 令 电 流 与 实 际输 出 电 流 进 行 比 较 ,求 出 偏 差 电 流 ,通 过 放 大 器 放 大 后 再 和 三 角 波 进 行 比 较 ,产 生 PWM 波 .此 时 开 关 频 率 一 定 ,因 而 克 服 了 滞 环 比 较 法

38、 频 率 不 固 定 的 缺点 .但 是 ,这 种 方 式 电 流 响 应 不 如 滞 环 比 较 法 快 . 4.3.3、预 测 电 流 控 制 法 6 预 测 电 流 控 制 是 在 每 个 调 节 周 期 开 始 时 ,根 据 实 际 电 流 误 差 ,负 载 参 数 及其 它 负 载 变 量 ,来 预 测 电 流 误 差 矢 量 趋 势 ,因 此 ,下 一 个 调 节 周 期 由 PWM 产生 的 电 压 矢 量 必 将 减 小 所 预 测 的 误 差 .该 方 法 的 优 点 是 ,若 给 调 节 器 除 误 差外 更 多 的 信 息 ,则 可 获 得 比 较 快 速 ,准 确 的

39、响 应 .目 前 ,这 类 调 节 器 的 局 限 性 是响 应 速 度 及 过 程 模 型 系 数 参 数 的 准 确 性 . 4.4、空 间 电 压 矢 量 控 制 PWM 7空 间 电 压 矢 量 控 制 PWM(SVPWM)也 叫 磁 通 正 弦 PWM 法 .它 以 三 相 波形 整 体 生 成 效 果 为 前 提 ,以 逼 近 电 机 气 隙 的 理 想 圆 形 旋 转 磁 场 轨 迹 为 目 的 ,用 逆 变 器 不 同 的 开 关 模 式 所 产 生 的 实 际 磁 通 去 逼 近 基 准 圆 磁 通 ,由 它 们 的 比较 结 果 决 定 逆 变 器 的 开 关 ,形 成 P

40、WM 波 形 .此 法 从 电 动 机 的 角 度 出 发 ,把 逆变 器 和 电 机 看 作 一 个 整 体 ,以 内 切 多 边 形 逼 近 圆 的 方 式 进 行 控 制 ,使 电 机 获得 幅 值 恒 定 的 圆 形 磁 场 (正 弦 磁 通 ). 具 体 方 法 又 分 为 磁 通 开 环 式 和 磁 通 闭 环 式 .磁 通 开 环 法 用 两 个 非 零 矢 量和 一 个 零 矢 量 合 成 一 个 等 效 的 电 压 矢 量 ,若 采 样 时 间 足 够 小 ,可 合 成 任 意 电压 矢 量 .此 法 输 出 电 压 比 正 弦 波 调 制 时 提 高 15%,谐 波 电 流

41、 有 效 值 之 和 接 近最 小 .磁 通 闭 环 式 引 入 磁 通 反 馈 ,控 制 磁 通 的 大 小 和 变 化 的 速 度 .在 比 较 估 算 磁 通 和 给 定 磁 通后 ,根 据 误 差 决 定 产 生 下 一 个 电 压 矢 量 ,形 成 PWM 波 形 .这 种 方 法 克 服 了 磁通 开 环 法 的 不 足 ,解 决 了 电 机 低 速 时 ,定 子 电 阻 影 响 大 的 问 题 ,减 小 了 电 机 的脉 动 和 噪 音 .但 由 于 未 引 入 转 矩 的 调 节 ,系 统 性 能 没 有 得 到 根 本 性 的 改 善 . 4.5、矢 量 控 制 PWM8矢

42、量 控 制 也 称 磁 场 定 向 控 制 ,其 原 理 是 将 异 步 电 动 机 在 三 相 坐 标 系 下 的定 子 电 流 Ia,Ib 及 Ic,通 过 三 相 /二 相 变 换 ,等 效 成 两 相 静 止 坐 标 系 下 的 交 流 电流 Ia1 及 Ib1,再 通 过 按 转 子 磁 场 定 向 旋 转 变 换 ,等 效 成 同 步 旋 转 坐 标 系 下 的直 流 电 流 Im1 及 It1(Im1 相 当 于 直 流 电 动 机 的 励 磁 电 流 ;It1 相 当 于 与 转 矩成 正 比 的 电 枢 电 流 ),然 后 模 仿 对 直 流 电 动 机 的 控 制 方 法

43、,实 现 对 交 流 电 动 机的 控 制 .其 实 质 是 将 交 流 电 动 机 等 效 为 直 流 电 动 机 ,分 别 对 速 度 ,磁 场 两 个 分量 进 行 独 立 控 制 .通 过 控 制 转 子 磁 链 ,然 后 分 解 定 子 电 流 而 获 得 转 矩 和 磁 场两 个 分 量 ,经 坐 标 变 换 ,实 现 正 交 或 解 耦 控 制 . 但 是 ,由 于 转 子 磁 链 难 以 准 确 观 测 ,以 及 矢 量 变 换 的 复 杂 性 ,使 得 实 际 控 制效 果 往 往 难 以 达 到 理 论 分 析 的 效 果 ,这 是 矢 量 控 制 技 术 在 实 践 上

44、的 不 足 .此外 .它 必 须 直 接 或 间 接 地 得 到 转 子 磁 链 在 空 间 上 的 位 置 才 能 实 现 定 子 电 流 解耦 控 制 ,在 这 种 矢 量 控 制 系 统 中 需 要 配 置 转 子 位 置 或 速 度 传 感 器 ,这 显 然 给许 多 应 用 场 合 带 来 不 便 . 4.6、直 接 转 矩 控 制 PWM81985 年 德 国 鲁 尔 大 学 Depenbrock 教 授 首 先 提 出 直 接 转 矩 控 制 理 论 (Direct Torque Control 简 称 DTC).直 接 转 矩 控 制 与 矢 量 控 制 不 同 ,它 不 是通

45、 过 控 制 电 流 ,磁 链 等 量 来 间 接 控 制 转 矩 ,而 是 把 转 矩 直 接 作 为 被 控 量 来 控制 ,它 也 不 需 要 解 耦 电 机 模 型 ,而 是 在 静 止 的 坐 标 系 中 计 算 电 机 磁 通 和 转 矩的 实 际 值 ,然 后 ,经 磁 链 和 转 矩 的 Band-Band 控 制 产 生 PWM 信 号 对 逆 变 器的 开 关 状 态 进 行 最 佳 控 制 ,从 而 在 很 大 程 度 上 解 决 了 上 述 矢 量 控 制 的 不 足 ,能 方 便 地 实 现 无 速 度 传 感 器 化 ,有 很 快 的 转 矩 响 应 速 度 和 很

46、 高 的 速 度 及 转 矩控 制 精 度 ,并 以 新 颖 的 控 制 思 想 ,简 洁 明 了 的 系 统 结 构 ,优 良 的 动 静 态 性 能 得到 了 迅 速 发 展 . 但 直 接 转 矩 控 制 也 存 在 缺 点 ,如 逆 变 器 开 关 频 率 的 提 高 有 限 制 . 4.7、非 线 性 控 制 PWM单 周 控 制 法 7又 称 积 分 复 位 控 制 (Integration Reset Control,简 称 IRC),是 一 种 新 型 非 线 性 控 制 技 术 ,其 基 本 思 想 是 控 制 开 关 占 空 比 ,在 每 个 周 期使 开 关 变 量 的

47、平 均 值 与 控 制 参 考 电 压 相 等 或 成 一 定 比 例 .该 技 术 同 时 具 有 调制 和 控 制 的 双 重 性 ,通 过 复 位 开 关 ,积 分 器 ,触 发 电 路 ,比 较 器 达 到 跟 踪 指 令 信号 的 目 的 .单 周 控 制 器 由 控 制 器 ,比 较 器 ,积 分 器 及 时 钟 组 成 ,其 中 控 制 器 可 以是 RS 触 发 器 ,其 控 制 原 理 如 图 1 所 示 .图 中 K 可 以 是 任 何 物 理 开 关 ,也 可 是其 它 可 转 化 为 开 关 变 量 形 式 的 抽 象 信 号 . 单 周 控 制 在 控 制 电 路 中

48、 不 需 要 误 差 综 合 ,它 能 在 一 个 周 期 内 自 动 消 除 稳态 ,瞬 态 误 差 ,使 前 一 周 期 的 误 差 不 会 带 到 下 一 周 期 .虽 然 硬 件 电 路 较 复 杂 ,但其 克 服 了 传 统 的 PWM 控 制 方 法 的 不 足 ,适 用 于 各 种 脉 宽 调 制 软 开 关 逆 变 器 ,具有 反 应 快 ,开 关 频 率 恒 定 ,鲁 棒 性 强 等 优 点 ,此 外 ,单 周 控 制 还 能 优 化 系 统 响 应 ,减小 畸 变 和 抑 制 电 源 干 扰 ,是 一 种 很 有 前 途 的 控 制 方 法 . 4.8、谐 振 软 开 关

49、PWM传 统 的 PWM 逆 变 电 路 中 ,电 力 电 子 开 关 器 件 硬 开 关 的 工 作 方 式 ,大 的 开关 电 压 电 流 应 力 以 及 高 的 du/dt 和 di/dt 限 制 了 开 关 器 件 工 作 频 率 的 提 高 ,而 高 频 化 是 电 力 电 子 主 要 发 展 趋 势 之 一 ,它 能 使 变 换 器 体 积 减 小 ,重 量 减 轻 ,成 本 下 降 ,性 能 提 高 ,特 别 当 开 关 频 率 在 18kHz 以 上 时 ,噪 声 将 已 超 过 人 类 听觉 范 围 ,使 无 噪 声 传 动 系 统 成 为 可 能 . 谐 振 软 开 关 PWM 的 基 本 思 想 是 在 常 规 PWM 变 换 器 拓 扑 的 基 础 上 ,附加 一 个 谐 振 网 络 ,谐 振 网 络 一 般 由 谐 振 电 感 ,谐 振 电 容 和 功 率 开 关 组 成 .开 关转 换 时 ,谐 振 网 络 工 作 使 电 力 电 子 器 件 在 开 关 点 上 实 现 软 开 关 过 程 ,谐 振 过程 极 短 ,基 本 不 影 响 PWM 技 术 的 实 现 .从 而 既 保 持 了 PWM 技 术 的 特 点 ,又实 现 了 软 开 关 技 术 .但 由 于 谐 振 网 络