PWM技術(shù)培訓(xùn)ppt課件.ppt

1、PWM技術(shù)培訓(xùn),1,PWM控制原理,理論基礎(chǔ) 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同 沖量指窄脈沖的面積 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異 等幅和不等幅PWM波 由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路和本節(jié)的PWM逆變電路。 輸入電源是交流，得到不等幅PWM 基于面積等效原則，其本質(zhì)是相同的。,2,舉例說明,用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波 正弦半波N 等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等 用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等 寬度按正弦規(guī)律變化 由于

2、各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可 理論上，這一系列脈沖寬度可以嚴(yán)格計(jì)算出來，但較為實(shí)用的是調(diào)制方法。,3,PWM 調(diào)制基本概念,基本概念 PWM調(diào)制 脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到輸出脈沖寬度的一種方法。 相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定正弦波，在PWM 優(yōu)化模式控制下可以是預(yù)畸變的信號波。 載波比 在一個(gè)調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比。 調(diào)制度m 調(diào)制波參考信號峰值與三角載波峰值之比。 直流電壓利用率 逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud值之比。,4,PW

3、M調(diào)制的制約條件,開關(guān)頻率 逆變器各功率器件的開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制逆變器的每秒脈沖數(shù)（即逆變器每個(gè)開關(guān)的每秒動(dòng)作次數(shù)）。 調(diào)制度 為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使所調(diào)制的脈沖波有最小脈寬和 最小間隙的限制，以保證脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間，這就要求參考信號的幅值不能超過三角載波峰值的某一百分?jǐn)?shù)。,5,PWM調(diào)制分類,根據(jù)調(diào)制脈沖的極性可分為：單極性和雙極性調(diào)制 根據(jù)載波信號和基波信號的頻率之間的關(guān)系，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制 根據(jù)基波信號的不同，可以分為矩形波脈寬調(diào)值和正弦波脈寬調(diào)制。,6,單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制,單極性調(diào)制 在調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)三角載波只在一個(gè)方向變化，

4、 所得到輸出電壓的PWM波形也在一個(gè)方向變化的控 制方式稱為單極性PWM控制方式。 雙極性調(diào)制 在調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)三角載波正負(fù)方向變化，所得 到輸出電壓的PWM波形也在正負(fù)方向變化的控制方式 稱為雙極性PWM控制方式。,7,同步調(diào)制和異步調(diào)制,根據(jù)載波比的變化與否可以分為同步調(diào)制和異步調(diào)制 同步調(diào)制 定義 在改變信號周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波頻率與信號頻率的比值保持不變。 調(diào)制特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 在開關(guān)頻率較低時(shí)可以保證輸出波形的對稱性。 缺點(diǎn) （1）在信號頻率較低時(shí)，載波的頻率顯得稀疏，電流波形脈動(dòng)大，諧波分量增大 （2）載波的邊頻帶（載波與基波的差頻）靠近信號波，容易干擾基波頻域。

5、（3）載波周期隨信號波周期變化，不易于用單片機(jī)類數(shù)字化實(shí)現(xiàn),8,異步調(diào)制 定義 在調(diào)制信號周期變化的同時(shí)，載波周期保持不變。 調(diào)制特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1） 由于是異步，低頻輸出時(shí)，在一個(gè)信號周期內(nèi)，載波個(gè)數(shù)成數(shù)量級增多，這對抑制諧波電流，減輕電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大有好處。 （2）低頻時(shí)， 載波頻率比很大，載波的邊頻帶遠(yuǎn)離信號波頻率，因此不存在載波邊頻帶與基波之間的相互干擾問題。 （3）載波頻率固定，便于微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理。 缺點(diǎn)： 載波頻率較低，將會(huì)出現(xiàn)輸出電流波形正負(fù)半周不對稱，相位漂移及偶次諧波等問題。不過，在IGBT等高速功率開關(guān)器件，載波頻率可以做得很高，這缺點(diǎn)可以小到可以完全忽

6、略。 分段同步調(diào)制 在一定的頻率范圍之內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級的增加，又采納了異步調(diào)制的長處。,9,數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）方法,實(shí)現(xiàn)方法 三角載波是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生PWM時(shí)必須采用的波形，在用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí)，三角載波實(shí)際上是不存在的，完全由軟件來代替了，這樣既可以減少硬件投資又可以提高系統(tǒng)可靠性。 不同調(diào)制波生成的PWM脈寬對于變頻效果，比如輸出基波電壓幅值，基波轉(zhuǎn)矩，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，諧波電流損耗，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。,10,SPWM軟件生成方法,自然采樣法 定義 按照正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬

7、度與間隙時(shí)間 的采樣，從而生成SPWM波形。 特點(diǎn) 在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角載波中點(diǎn)重合 雖然真實(shí)地反映了脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時(shí)刻，但由于實(shí)時(shí)計(jì)算 困難，計(jì)算量大，難以用于實(shí)時(shí)控制中。 規(guī)則采樣法 定義 每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角載波的中點(diǎn)為對稱，使調(diào)制計(jì)算量大為簡化。,(a) 自然采樣法,11,對稱規(guī)則采樣 生成的脈寬比實(shí)際的正弦波與載波所生成的脈寬要小，輸出電壓也會(huì)相應(yīng)的偏低。 不對稱規(guī)則采樣 一個(gè)載波周期電采樣兩次正弦波數(shù)值，該采樣值更真實(shí)地反映了實(shí)際的正弦波數(shù)值，顯然其輸出電壓高于前者，但是載波頻率較高時(shí)，單片機(jī)運(yùn)算速度存在難題。 平均對稱規(guī)則采樣 采樣時(shí)刻設(shè)在三角載波的

8、谷點(diǎn)處。以此刻的正弦波數(shù)值為中心引一水平線與兩側(cè)的三角載波相交，確定PWM脈沖的前后沿，雖然此時(shí)后沿仍較窄，但前沿卻較寬，平均起來考慮，與正弦波二角波直接比較已基本相當(dāng)。,(b) 對稱規(guī)則采樣,(c) 不對稱規(guī)則采樣,(d) 平均對稱規(guī)則采樣,12,SVPWM技術(shù),SVPWM技術(shù)特點(diǎn)： (1)SVPWM(空間矢量PWM)調(diào)制方法是將逆變器和電機(jī)視為一個(gè)整體，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場，把電機(jī)和控制器作為一個(gè)整體來考慮。 (2)SVPWM使得電機(jī)脈動(dòng)降低，電流波形畸變率小，而且與常規(guī)SPWM相比，直流電壓利用率有很大提高，并且易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。 空間矢量的概念 一個(gè)在空間按正弦分布,有一定

9、旋轉(zhuǎn)速度的物理量都可以定義為空間矢量。 三相定子繞組通以對稱的三相電流：,電機(jī)物理模型,三相合成磁勢： 根據(jù)空間矢量概念，得出三相繞組的合成磁勢是一個(gè)以幅值角速度 旋轉(zhuǎn)的空間矢量。,13,取合成矢量的 倍，定義磁勢矢量： 由于磁勢的大小和電流 成正比，所以電流矢量定義為： 同理，定義三相電機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶恳约半妷菏噶繛椋?忽略定子電阻，磁鏈可以通過定子電壓的積分得到： 為獲得電機(jī)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，只需要控制三相定子電壓的 合成矢量為圓形旋轉(zhuǎn)矢量即可。,14,調(diào)制原理,對于三相電壓型逆變器而言，電機(jī)的相電壓依賴于它所對應(yīng)的逆變器橋臂上下功率開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)逆變器采用雙極性調(diào)制時(shí)，上下橋臂的功率器件是互鎖

10、的。三相橋式電壓型逆變器有8種工作狀態(tài)。 電壓矢量定義： 得到六個(gè)有效矢量 和兩個(gè)零矢量 用矢量表示這8種空間狀態(tài)，如圖所示： 如果三相電壓為： 則矢量 就是以角頻率為 按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的空間矢量，反過來一個(gè)這樣的空間矢量在三相軸上的投影就是對稱的三相正弦量。,最大電壓空間矢量軌跡,15,依據(jù)平行四邊形法則，可以利用這八個(gè)基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量 。如果勻速發(fā)出一個(gè)圓周里均勻分布的等效合成矢量，也就得到了三相正弦量。一個(gè)周期里發(fā)出的合成矢量越多，說明采樣頻率越高。 以扇區(qū)I為例,依據(jù)平行四邊形法則： 得到： 當(dāng) 不足時(shí)，插入零失量補(bǔ)足，一般：,16,空間電壓矢量在線形區(qū)調(diào)制

11、時(shí)的約束條件是： 此約束條件決定了采用支流電壓為 ，采用SVPWM調(diào)制的逆變器提供的最大電壓： 逆變器輸出相電壓的極限峰值是 SVPWM直流電壓利用率與SPWM比較： 傳統(tǒng)SPWM最大相電壓峰值是 ，因此在同等直流電壓下，SVPWM的輸出最大電壓較 常規(guī)SPWM高約 ，即SVPWM的調(diào)制度m可以達(dá)到 。,17,確定參考矢量所在扇區(qū): 相鄰兩矢量作用時(shí)間的確定: 確定比較器的切換點(diǎn): 定義 開關(guān)切換時(shí)間表:,一般調(diào)制方法,18,簡化算法,HISPWM（諧波注入法）思想 利用三相系統(tǒng)中線電壓具有自動(dòng)消除相電壓3K次諧波的能力，人為地在三相調(diào)制基準(zhǔn)正弦撥中摻入一定的3K次諧波，從而實(shí)現(xiàn)降低調(diào)制波峰值

12、，避免過調(diào)制的目的。 HISPWM,SPWM和SVPWM聯(lián)系 在常規(guī)SPWM線性調(diào)制時(shí)，調(diào)制比m是不會(huì)大于1的。前面的分析表明，SVPWM的調(diào)制度可達(dá)到1.1547,且仍能保持線性調(diào)制，這與諧波注入法SPWM的線性調(diào)制范圍一樣，于是，可以推測SVPWM是加入了某種零序分量的調(diào)制方法。,19,以扇區(qū)I為例: 設(shè)三角波頻率足夠高,一個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的值為常數(shù) , 以三角波波谷時(shí)刻 作采樣點(diǎn),由相似三角形得: 由以上兩式可以得到三相調(diào)制波: 在扇區(qū)I里,一個(gè)周期內(nèi)零序分量的表達(dá)式為: 由此可見電壓空間矢量調(diào)制SVPWM、對稱規(guī)則采樣SPWM、諧波注入法SPWM之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以認(rèn)為空間矢量調(diào)制和

13、在正弦調(diào)制波里加入零序分量Uz的規(guī)則采樣SPWM調(diào)制是等效的。,加零序分量前的三相正弦調(diào)制波,加零序分量后的三相調(diào)制波,（1）,（2）,（3）,20,ISG SVPWM采用(d),21,ISG MCU 軟件實(shí)現(xiàn),第一步：如圖所示: 通過電流調(diào)節(jié)器輸出直軸和交軸參考電壓 ，通過Parke和Clarke逆變換得到三相電壓，根據(jù)式（2）取 k=0.5得到三相調(diào)制波信號 第二步：根據(jù)式（1）配置 DSP 比較寄存器，產(chǎn)生SVPWM,22,死區(qū)補(bǔ)償,死區(qū)存在的必要性 采用 SVPWM的電壓源逆變器中，同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件施加互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號。由于功率器件的開通時(shí)間往往小于關(guān)斷時(shí)間，因此容易發(fā)生同橋臂

14、兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的短路故障損壞器件。為了防止這種短路故障的發(fā)生，逆變器控制必須引入一段封鎖時(shí)間，此時(shí)上下橋臂均將驅(qū)動(dòng)信號封鎖以保證 同橋臂上一只開關(guān)管可靠關(guān)斷后，另一只開關(guān)管可靠導(dǎo)通。 死區(qū)時(shí)間的確定主要依賴于開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來確定。 死區(qū)補(bǔ)償?shù)谋匾?死區(qū)時(shí)間的存在使得實(shí)際輸出電壓和給定電壓之間存在偏差，引起負(fù)載相電流的畸變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也因此產(chǎn)生波動(dòng)，甚至影響電機(jī)的穩(wěn)定性。因此需要對死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。,23,SVPWM死區(qū)效應(yīng)分析,死區(qū)效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一個(gè)是電壓畸變,另一個(gè)是相電流的零電流箝位現(xiàn)象。 死區(qū)的影響所造成的電壓畸變和電流的極性直接相關(guān)，而和電流的大小無關(guān)。 以

15、A相分析 電流從逆變器流向負(fù)載定義為正， 當(dāng) 時(shí)，死區(qū)時(shí)間內(nèi)A相端電壓為0 當(dāng) 時(shí)，死區(qū)時(shí)間內(nèi)A相斷電壓為 死區(qū)時(shí)間內(nèi)A相的端電壓將不受功率開關(guān)器件的控制， 而取決于該相相電流的方向。 利用平均電壓的概念，得到死區(qū)對A相端電壓的影響。,24,零電流箝位 右圖所示，電流的變化方向和電壓的 變化方向恰好相反，這種相反的變化 趨勢使得相電流在過零點(diǎn)處有保持原 值的趨勢而形成平臺(tái)。,25,補(bǔ)償原理 設(shè)法產(chǎn)生一個(gè)和畸變電壓大小相同，方向相反的補(bǔ)償電壓來抵消或削弱畸變電壓的影響。 電壓補(bǔ)償 電壓反饋型： 檢測每相的電壓值，需要增加硬件結(jié)構(gòu) 電流反饋型：根據(jù)三相電流的方向，設(shè)定和畸變電壓矢量幅值相同，方向相反的誤差補(bǔ)償函數(shù)。在輸出電壓矢量的基礎(chǔ)上，加上此補(bǔ)償函數(shù)作為實(shí)際的電壓輸出指令以抵消死區(qū)的影響。,26,電流方向的判斷(難點(diǎn)) 死區(qū)補(bǔ)償中需要對負(fù)載電流方向進(jìn)行檢測，但是電機(jī)系統(tǒng)中，由于PWM的開關(guān)噪聲以及零電流箝位現(xiàn)象，使得電流過零點(diǎn)的檢測極為困難。,27,SVPWM的過調(diào)制策略,采用SVPWM技術(shù)，三相電壓型逆變器在線形調(diào)制區(qū)輸出電壓基