第4章 脉宽调制技术

33
（2）在电流闭环中增设频率闭环使fT保持恒定
根据功率器件的类型、特性和逆变器的性能指标，可以确定最佳开关频率 给定信号fT*。由电流滞环输出测量的PWM脉冲信号频率经U/f转换器变为电压 信号fT，将fT*—fT送入非线性开关调节器，调节器实时给出电流滞环宽度。当 fT*>fT时，给出滞环宽Δmin，使fT提高；反之，给出环宽Δmax，使fT下降。
2. 什么是SPWM波形的规则取样法？与自然取样 法相比，规则取样法有什么优缺点？
42
5
脉宽调制技术简称PWM（Pulse Width Modulation）
PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一
系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波
状，所获得的输出平滑且低次高次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行
限的时间越长，因而fT越小。 （4）fT与参考电流ir的变化率有关，dir／dt 越大，fT越小，越接 近ir的峰值，dir／dt 越小，而PWM脉宽越小，即fT越大。
32
4.3.2．开关频率恒定的电流跟踪型PWM控制技术
1）随dir／dt变化调整滞环宽度使fT不变。 参考电流经微分电路B求得dir／dt，然后根据电路参数由C计算相应的滞宽 Δmax和Δmin，再由两选一电路D将Δmax或Δmin与ir- if一起送入滞环比较器E。两选一 电路的控制可由滞环比较器输出电平自动选取。通过适当的选取电路参数，可实 现滞环比较器输出PWM脉冲的频率基本不变。
调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。
6
这种PWM型变频电路的主要特点为：
①可以得到相当接近正弦波的输出电压；
②整流电路采用二极管，提高了变频电源对交流电网的功率因数，可获得接近1的功率因 数； ③电路结构简单，使装置的体积变小，重量减轻，造价下降，可靠性提高。
④改善了系统的动态性能和电机运行性能，通过对输出脉冲宽度的控制，可改变输出电
39
⑶霍尔（Hall）传感器法
对于直流及非正弦的交流电压和电流信号的隔离传送，最好的方法是采用霍 尔电压和电流传感器。霍尔传感器不仅可实现被测电路与反馈电路的有效隔离， 还具有以下一些优点： ①可以测量任意波形的电压和电流信号，且频带宽； ②线性好，测量区间宽，测量精度高； ③响应速度快； ④过载能力强，使用安全。
36
2.数字控制方式
电机的电压和电流信号经霍尔电压和电流传感器送至采样/保持器和快速12位A/D转换器， 由MC68332软件控制，对各电压、电流信号进行准同时采样，速度反馈信号与PG送入 MC68332，控制指令由键盘控制器输入。通过求解调速系统数学模型，产生的PWM控制信号 经脉冲放大器送至PWM逆变器。逆变器直流侧电压控制则由MC68332向斩波器输出的PWM 控制信号实现。
14
2.同步调制
载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调 制方式称为同步调制。 在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信 号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。
15
16
17
4.2
SPWM逆变器的控制技术
4.2.1 SPWM逆变器及其控制模式
4.3.1．电流跟踪型PWM逆变器的运行原理
电流跟踪型PWM又称电流控制型电压源PWM逆变器（CRPWM），它兼有电
压型和电流型逆变器的优点：结构简单、工作可靠、响应快、谐波小，采
用电流控制，可实现对电机定子相电流的在线自适应控制，特别适用于高 性能的矢量控制系统。
29
滞环电流跟踪型SPWM逆变器的单相结构
19
2.采用数字电路
采用数字电路的SPWM逆变器，可使用以软件为基础的控制模式。它的 优点是：所用硬件较少，灵活性好，智能性强；它的缺点是：需要通过计算 来确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。
（1）自然取样法
此方法与采用模拟电路由硬件自然确定SPWM脉冲宽度的方法很相似， 故称为自然取样法。然而微机是采用计算的办法，寻找三角载波uΔ与参考 正弦波uR的交点，从而确定SPWM脉冲宽度的。
般为8位或10位。
（5）通讯接口
芯片应备有用于外围通信的同步、异步串行接口的硬件或软件单元。
27
2．几种新型单片微处理器简介
8xCl96MC系列
8xCl96MC是一个16位微处理器，其内部有一 个三相互补SPWM波形发生器，可直接输出6路 SPWM信号，驱动电流达20mA。
28
4.3 电流跟踪型PWM逆变器控制技术
3
随堂测验讲评
2.什么是PAM？
答： PAM是一种利用改变电压源的电压或改变 电流源的幅值来进行输出控制的一种方式。它 在逆变器部分只控制频率，在交流器部分控制 输出的电压或电流。
4
第4章 脉宽调制技术
本章要点 脉宽调制（PWM）概述 PWM控制的基本原理 PWM型逆变电路的控制方式 SPWM逆变器的控制技术 电流跟踪型PWM逆变器控制技术
26
（3）PWM波形生成硬件及调制范围
波形生成硬件单元可设定各种PWM调制方式，调制频率及死区时间，可实现 的调制频率范围应能满足低噪音变频器和高输出频率的变频器的要求。
（4）A／D接口
芯片应备有输入模拟信号（可用于电动机的电压、电流信号，各种传感器的
二次电信号以及外部的模拟量控制信号）的A／D转换接口，A／D转换器的字长一
在不提高载波频率的前提下，消除所不希望的各谐波分量。
1．两电平PWM逆变器消除谐波的一般方法
23
24
2．三电平PWM逆变器消除谐波的方法
图4-14所示PWM逆变器，当S1、S2采用10、00、01开关模式时，则逆变器 输出电压具有三种电平，其输出PWM波形如下图所示。
图4-17 三电平PWM逆变器的输出电压波形
压，加快了变频过程的动态响应，提高了调节速度，使调节过程中电压与频率的配合好。 基于上述原因，在自关断器件出现并成熟后，PWM控制技术就获得了很快的发展，已成为 电力电子技术中一个重要的组成部分。
7
4.1 PWM调制方法与控制技术
4.1.1 PWM控制的基本原理
即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。
40
2.转速与位置检测
目前调速系 统速度和位置反 馈控制中应用较 多的还是光电编 码器，简称码盘。 它不仅可以检测 电机转速，还可 以测定电机的转 向及转子相对于 定子的位置。转 速输出信号可以 是数字量或模拟 量，可满足各种 调速系统的需要。
41
随堂小测验（4）
1. 什么叫异步调制？什么叫同步调制？两者各 有什么特点？
t2=
1 2
T 2
+
T U sm 2 sin T 2 U m s
t
t1= t3=
(TΔ- t2)=
2 1 T T U sm sin T 2 2 2 U m s
t
22
4.2.2 具有消除谐波功能的SPWM控制模式的优化
8
用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波。
在给出了正弦波频 率、幅值和半个周期内 的脉冲数后，PWM波 形各脉冲的宽度和间隔 就可以准确计算出来。 按照计算结果控制电路 中各开关器件的通断， 就可以得到所需要的
PWM波形。
9
采用电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路
10
11
12
13
20
（二）规则取样法
规则取样法就是用UR和UΔ 近似交点A和B代替实际的交点Aˊ和Bˊ。用以确定 SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减小了计算工作量。由下 图可很容易地求出规则取样法的计算公式。
21
设三角波和正弦波的幅值分别 为uΔ m和usm，周期分别为TΔ 和Ts，脉 宽t2和间隙时间t1及t3可由下式计算：
37
4.4.2．反馈信号的测取
1.电压和电流反馈信号的测取
电压和电流反馈信号的检测一般有三种方法： ⑴电阻法：采用电阻分压，可将电压信号衰减至所需要的电平。将被测 电流通过已知电阻，测量其压降后可知被测电流。
电阻法的优点是电路简单，交直流信号皆适用。缺点是，如反馈控制电路 与主电路没有隔离，而两者的电压相差极大（几十倍至上百倍），万一主电路 的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全。而电阻法要 求分压器和分流器的电阻值稳定不变，这也是很难做到的。
4.1.2 PWM型逆变电路的控制方式
1.异步调制
载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率fr变化时，通常保持载波频率fc固定不变，因而载波
Βιβλιοθήκη Baidu
比N是变化的。
在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较 高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。
为了减小谐波影响，提高电机的运行性能，要求采用对称的三相正弦波 电源为三相交流电动机供电，因此，PWM逆变器采用正弦波作为参考信号。 这种正弦波脉宽调制型逆变器称为SPWM逆变器。 实现SPWM的控制方式有三种： ①采用模拟电路； ②采用数字电路；
③采用模拟与数字电路相结合的控制方式。
18
1.采用模拟电路
在常用的电流滞环中增加频率闭环使fT恒定的原理图
34
4.4 PWM变频技术在调速控制系统中的应用
电流跟踪型PWM变频调速系统框图
35
4.4.1． PWM控制信号的产生
1.模拟控制方式
PWM控制信号产生电路的主要功能是根据给定的指令和对调速特性的要求，通过对调速 系统数学模型的分析，产生控制逆变器功率元件通断的PWM信号。由于所采用的数学模型与 控制机理不同，采用的控制方式也不同，如矢量控制、直接转矩控制、变结构控制、模糊控 制、神经元自适应控制等。
30
滞环电流跟踪型逆变器通过反馈电流if与给定电流ir相比较产生输出PWM电压信号的波形图
31
（1）fT与滞环宽Δ 成反比，滞环越宽，fT越低。
（2）逆变器电源电压E越大，负载电流上升（或下降）的速度越快，
if到达滞环上限或下限的时间越短，因而fT随E值增大而增大
（3）负载电感L值越大，电流的变化率越小，if到达滞环上限或下
38
4.4.2．反馈信号的测取
1.电压和电流反馈信号的测取
⑵互感器法：由于互感器内部铁心磁性材料的非线性影响，它对于正弦 波电压和电流，具有足够的工程精度，对于非正弦波或含有谐波较多的电压和
电流，测量将产生较大的误差。 因此，用一般的互感器检测PWM逆变器这种含有丰富谐波分量的输出电压 和电流，难以准确测量电压和电流的瞬时值。
25
4.2.3 用于SPWM控制的专用芯片与微处理器
1．新型SPWM专用微处理器的主要性能
（1）基本指令数，执行时间、内存容量及处理器的可读、写内存容量 为了提高运算速度，几乎所有的新型微处理器的命令都采用“管线” （Pipe Line）方式。为了完成复杂的运算，这类微处理器皆具有乘、除 法指令或带符号的乘、除法指令。此外，有的微处理器还备有便于进行 矩阵运算的求积、和的指令。 （2）中断功能及中断通道数 为了对变频器及电动机的运行参数（如电压、电流、温度等）进行 适时检测与故障保护，需要微处理器具有很强的中断功能与足够的中断 通道数。
变频技术课件（4）
电气工程系
1
随堂小测验（3）
1. 什么是电压型和电流型逆变器？各有何特点？
2. 什么是PAM？
2
随堂测验讲评
1. 什么是电压型和电流型逆变器？各有何特点？
①电压型逆变器。这种变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆 变器的直流侧并联有大电容，用来缓冲无功功率。由于大电容存在，使 直流输出电压具有电压源的特性，内阻很小。这样使逆变器的交流输出 电压被钳位为矩形波，与负载性质无关。 ②电流型逆变器。这种变频器在直流电源上串联了大电感来进行滤 波。由于大电感的限流作用，为逆变器提供的直流电流波形平直、脉动 很小，具有电流源特性，能有效地抑制故障电流的上升率，实现较理想 的保护功能。使逆变器输出的交流电流为矩形波，与负载性质无关，而 输出的交流电压波形及相位随负载的变化而变化。对于变频调速系统而 言，这个大电感同时又是缓冲负载无功能量的储能元件。