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PWM技术实现方法综述

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PWM

PWM技术实现方法综述PWM技术实现方法综述

PM
W技术实现方法综述  1C
-2I中½电子½
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页码,15
引言 
采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而½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。PM
W控制技术就是以该结论为理论基础,对半导½开关器件的导通和关断进行控制,½输出端得到一系列幅
相等而½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½。按一定的规则对各脉冲的
制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。 
PM
W控制的基本原理很早就已经提出,½是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪8年代以前一直未½
实现。直到进入上世纪8年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PM
W控制技术才真正得到
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
想的应用,PM
W控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已出现了多种PM
W控制技术,根据PM
W控制技
到目前为止主要有以下8
类方法。 
1相电压控制PM
 
W 
11等脉½PM 1 
. 
W法[½
VV(½½½½V½½½V½½½ ½½½½)
VFV½½½ ½½½ ½½½½F½½½½装½在早期是采用PM ½½ ½½½½ ½½½½½
A(P½½A½½½½M½½½½
技术来实现的,其逆变器部分只½输出频率可调的方波电压而不½调压。等脉½PM
W法正是为了克服PM
缺点发展而来的,是PM
W法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的½度均相等的脉冲列½为PM
W波,通
列的周期可以调频,改变脉冲的½度或占空比可以调压,采用适½控制方法即可½电压与频率协调变
A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,½同时也存在输出电压中除基波外
较大的谐波分量。 
12随机PM
. 
W 
在上世纪7年代开始至上世纪8年代初,由于½时大功率晶½管主要为双极性达林顿三极管,½½
不超过5H,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PM
½½
W方法应运
原理是随机改变开关频率½电机电磁噪音近似为限带½噪声(在线性频率坐标系中,各频率½量分布是均
的),½管噪音的总分贝数未变,½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½在
已被广泛应用的今天,对于½½波频率必须限制在较½频率的场合,随机PM
W仍然有其特殊的价值;另一方面
了消除机械和电磁噪音的最½方法不是盲目地提高工½频率,随机PM
W技术正是提供了一个分析、解决
全新思路。 
13SW法 
. PM
SW(S½½½½ W)法是一种比较成熟的、目前½用较广泛的PM
PM ½½½½½PM
W法。前面提到的采样控制理
个重要结论:冲量相等而½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。SW法就是以
PM
理论基础,用脉冲½度按正弦规律变化而和正弦波等效的PM
W波½即SW波½控制逆变电路中开关器件的通
PM
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
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。 
131等面积法 
.. 
该方案实际上就是SW法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等½的矩½脉冲序列代替正弦波
PM
算各脉冲的½度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PM
W信号控制开关器件的通断
期的目的。由于此方法是以SW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,
PM
的波½很接近正弦波,½其存在计算繁琐,数据占用内存大,不½实时控制的缺点。 
½½:/½.1½½½
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½½/½½2½.½/½½½926.½½
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132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,其原理就是把所希望的波½½为调制信
调制的信号½为½½波,通过对½½波的调制得到所期望的PM
W波½。通常采用等腰三角波½为½½波,½调
正弦波时,所得到的就是SW波½。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波½½波和正弦调制波
PM
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SW波。½是,这
PM
结构复杂,难以实现精确的控制。 
133½件生成法 
.. 
由于微机技术的发展½得用½件生成SW波½变得比较容易,因此,½件生成法也就应运而生。
PM
其实就是用½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。 
1331自然采样法[½
... 
2 
以正弦波为调制波,等腰三角波为½½波进行比较,在两个波½的自然交点时刻控制开关器件的通
自然采样法。其优点是所得SW波½最接近正弦波,½由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一
PM
内不等距,从而脉½表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。 
1332规则采样法[½
... 
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½为½½波。其原理就是用三角波对
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SW法。½三角波只在其
PM
(或底点)½½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½,在一个½½波周期(即采
内的½½是对称的,这种方法称为对称规则采样。½三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采
梯波与三角波的交点所确定的脉½,在一个½½波周期(此时为采样周期的两倍)内的½½一般并不对
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
法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较½,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。 
134½次谐波消去法[½
.. 
2 
½次谐波消去法是以消去PM
W波½中某些主要的½次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波½按傅氏
数展开,表示为½ ½ ½½½
¦Ø
,首先确定基波分量½的值,再令两个不同的½=,就可以建立三
(¦Ø )=½½½ ½
½0
立求解得½,½及½,这样就可以消去两个频率的谐波。 
1 2 3
该方法½然可以很½地消除所指定的½次谐波,½是,剩½未消去的较½次谐波的幅值可½会相
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。 
14梯½波与三角波比较法[½
. 
2 
前面所介绍的各种方法主要是以输出波½½量接近正弦波为目的,从而½视了直流电压的利用率
法,其直流电压利用率仅为8.%。因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法-梯½波
66
较法。该方法是采用梯½波½为调制信号,三角波为½½波,且½两波幅值相等,以两波的交点时刻控制
的通断实现PM
W控制。 
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由于½梯½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。½由于梯½波本身含有½次谐波,所以输出波½中含有5
次、7
次等½次谐波。 
2线电压控制PM
 
W 
前面所介绍的各种PM
W控制方法用于三相逆变电路时,½是对三相输出相电压分别进行控制的,½其
近正弦波,½是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负½½,逆变器输出不必½求相电压接近正弦
可着眼于½线电压趋于正弦。因此,提出了线电压控制PM
W,主要有以下两种方法。 
21马鞍½波与三角波比较法 
. 
马鞍½波与三角波比较法也就是谐波注入PM
W方式(HPM
IW),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次
波,调制信号便呈现出马鞍½,而且幅值明显降½,于是在调制信号的幅值不超过½½波幅值的情况下,
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
电压和线电流中均不含三次谐波[½
4。 
除了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½,这些信号½不会½
压。这是因为,经过PM
W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,½在合成
电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而½线电压仍为正弦波。 
22单元脉½调制法[½
. 
5 
因为,三相对称线电压有U½ ½+U½0
½+U½ ½=的关系,所以,某一线电压任½时刻½等于另外两个线电压负
之和。现在把一个周期等分为6
个区间,每区间6 ,对于某一线电压例如U½
½,半个周期两边6扒
表示,中间6 区间用-(½+U½表示,½将U½ ½½同样处理时,就可以得到三相线电压波½只有半周
U½ ½)
½和U½
两边6扒 间的两种波½½状,并且有正有负。把这样的电压波½½为脉½调制的参考信号,½½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
½,该波½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
的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波½就唯一地确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信
已知三相线电压的脉冲工½模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 
该方法不仅½抑制较多的½次谐波,还可减小开关损耗和加½线性控制区,同时还½带来用微机控制的方
便,½该方法只适用于异步电动机,应用范围较小。 
3电流控制PM
 
W 
电流控制PM
W的基本思想是把希望输出的电流波½½为指令信号,把实际的电流波½½为反馈信号
者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,½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
31滞环比较法[½
. 
4 
这是一种带反馈的PM
W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
的开关状态,½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½½,输出电压
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
所含的谐波较多。 
32三角波比较法[½
. 
2 
该方法与SW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
PM
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过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PM
W波。此时开关频率一定,因而克服了滞环比较法频
的缺点。½是,这种方式电流响应不如滞环比较法快。 
33预测电流控制法[½
. 
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½½参数及其它负½½变量,来预测电
量趋势,因此,下一个调节周期由PM
W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
差外更多的信息,则可获得比较快速、准确的响应。目前,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系
的准确性。 
4空间电压矢量控制PM7 
 
W[½
空间电压矢量控制PM VW)也叫磁通正弦PM
W(SPM
W法。它以三相波½整½生成效果为前提,以逼近
的理想圆½旋½磁场½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
结果决定逆变器的开关,½成PM
W波½。此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看½一个整½,以
逼近圆的方式进行控制,½电机获得幅值恒定的圆½磁场(
正弦磁通)
。 
具½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
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1%,谐波电流有效
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
定产生下一个电压矢量,½成PM
W波½。这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了电机½速时,定子
的问题,减小了电机的脉动和噪音。½由于未引入½矩的调节,系统性½没有得到根本性的改善。 
5矢量控制PM8 
 
W[½
矢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I,I及I,通
½ ½ ½
相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流I1 ½,再通过按½子磁场定向旋½变换,等效成同
½及I1
系下的直流电流I1 ½(I1
½及I1 ½相½于直流电动机的励磁电流;I1
½相½于与½矩成正比的电枢电流),
对直流电动机的控制方法,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
磁场两个分量进行独立控制。通过控制½子磁链,然后分解定子电流而获得½矩和磁场两个分量,经
实现正交或解耦控制。 
½是,由于½子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,½得实际控制效果往往难以达到理
果,这是矢量控制技术在实践上的不足。此外.它必须直接或间接地得到½子磁链在空间上的½½才½
电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配½½子½½或速度传感器,这显然给许多应用场合带来
6直接½矩控制PM8 
 
W[½
18年德½鲁尔大学D½½½½教授首先提出直接½矩控制理论(D½½ ½½½C½½½
95
½½½½½
½½½T½½ ½½½简称DC
½矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制½矩,而是把½矩直接½为被控量
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½矩的实际值,然后,经磁链
½B½控制产生PM
-½½
W信号对逆变器的开关状态进行最½控制,从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足
便地实现无速度传感器化,有很快的½矩响应速度和很高的速度及½矩控制精度,并以新颖的控制思想
了的系统结构、优良的动静态性½得到了迅速发展。 
½直接½矩控制也存在缺点,如逆变器开关频率的提高有限制。 
7非线性控制PM
 
W 
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单周控制法[½
7又称积分复½控制(I½½½½½R½½C½½½
½½½½½ ½½ ½½½,简称IC
R),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½开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例
同时具有调制和控制的双重性,通过复½开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。
器由控制器、比较器、积分器及时钟组成,其中控制器可以是R触发器,其控制原理如图1
所示。图中
½物理开关,也可是其它可½化为开关变量½式的½象信号。 
 
 
单周控制在控制电路中不需要误差综合,
它½在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差,½前一周期的
会带到下一周期。½然硬件电路较复杂,½其克服了传统的PM
W控制方法的不足,适用于各种脉½调制
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½优化系统响应、减小畸变和抑制
扰,是一种很有前途的控制方法。 
8谐振½开关PM
 
W 
传统的PM
W逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工½方式,大的开关电压电流应力以及高的½/½
½½
½
限制了开关器件工½频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它½½变换器½积减小、
成本下降、性½提高,特别½开关频率在1½½
8H以上时,噪声将已超过人类听觉范围,½无噪声传动系
½。 
谐振½开关PM
W的基本思想是在常规PM
W变换器拓扑的基础上,附加一个谐振½络,谐振½络一般由
感、谐振电容和功率开关组成。开关½换时,谐振½络工½½电力电子器件在开关点上实现½开关过
程极短,基本不½响PM
W技术的实现。从而既保持了PM
W技术的特点,又实现了½开关技术。½由于谐
路中的存在必然会产生谐振损耗,并½电路受固有问题的½响,从而限制了该方法的应用。 
9结语 
 
本文较详细地总结了各种PM
W控制方法的原理,并简单说明了各种方法的优缺点。PM
W控制技术以其控制
单、灵活和动态响应½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
技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振½开关技术将会成为PM
展的主要方向之一。 
 
½½:/½.1½½½
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