PWM控制技术在变频调速系统中应用综述
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等脉宽 PWຫໍສະໝຸດ Baidu 法正是 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 。 它是把每个脉冲的宽度均 用脉宽相等的脉 冲列作 为 PWM 信号 , 通过协调脉冲列的周期和宽度以实 现变压变频的目的 。相对于 PAM 法 , 该方法的优 点在于简 化电 路结 构 , 提高 输入 端的 功率 因数 , 但同时 , 在输出电 压中除 存在基波 外 , 还含有 大 量的谐波分量 。为 了克服 这个缺点 , 人们根据 采 样控 制 理 论 , 提 出 了 正 弦 脉 宽 调 制 ( Sinusoidal PWM , SPWM )控制技术 。
一般 , 任何一种脉宽调制技术均可归结为: 在 SPWM 调制波中注 入一定形式的三次谐波分量 与三角载波 进行 比较 , 再 通过 规则 采样 而得 到 。 当然三次谐波的具体形式要根据具体 所期望的逆 变器控制目标来选择 [ 9 ] , 比如在逆变 器低开关损 耗情况 下 , 如 何 选用 三次 谐波 分量 。 SVPWM 和 SPWM 不是两种孤立的调制方法 , 它们之间有着内 在的本质联 系 , 即 SVPWM 有其 对应的 SPWM 形 式 , 反过来讲 , 一些性能优越的 SPWM 也可以找 到与 之对 应的 SVPWM 算法 。这是 SVPWM 法和 SPWM 法之间的内在联系 。如图 4所示 。
(西南交通大学 电气工程学院 , 成都 610031)
摘 要 : 综述了 PWM 控制技术在变频调速系统中常用的控制方式 , 并对这些控制方式的基本原 理和基本算法进行了阐述 , 指出了它们的优缺点 。 关键词 : 脉冲宽度调制 ; 变压变频 ; 综述 ; 电动机控制
Survey on P ulse W id th an d its Appl ica t ion s in Va r ia ble Frequency System GUO Chun2ping, WAN G Ben, L I Ta i, HUANG B ei2jun, BAO Peng, HUANG Chong2xin ( School of Elec trical Engineering, Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China) Abstra ct: This paper p re sented a survey of the common control modes of the pulse width modula tion in variable frequency system s, and expound the basic rationals and algorithm s of these control modes, ac2 cordingly indicated their m erits and its shortcom ings. Key W or ds: Pulse width modulation; VVVF; Survey; Motor control
112 正弦脉宽调制 SPWM 法是一种比较成熟的 、使用较为广泛的
PWM 法 。 SPWM 法就是以采样控制理论作为基础 , 由于期望逆 变器 的输出电压是正 弦波 , 所 以可以 将正弦波按一个周期分作 N 等分 , 然 后把每一等
收稿日期 : 2007209224 ·70 ·
分的正弦曲线与横轴所包围的面积都 用一个与该 面积相等的等高矩形脉冲 来等效 , 矩 形脉冲的中 点与正弦波每一等分的中 点重合 。应 用采样定理 得知 : 这样所得 的 N 个等幅而不等宽的矩形脉冲 序列所组成的波形就与正弦波形等效 。
线电 压 控 制 型 PWM 控 制 也 称 为 谐 波 注 入 PWM (Ha rmonic Injection PWM , H IPWM )法 、马鞍 形波和三角载波比较法 。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 , 使其输 出接近正弦 波 , 但 是对于三相异步电动机这 类三相负载 , 利用三相 电路相电压三次谐波在线电压中被抵消这个原 理 [ 5 ] , 提出了 H IPWM 法 , 使逆变器输出不必追求 相电压接近于正弦 , 而在于使线电压趋于正弦 。
4 空间电压矢量型 PWM 控制
空间电压矢量型 PWM 控制 ( space voltage vec2 tor PWM , SVPWM )也叫 磁通轨迹 PWM 法 。作 为 一种优化 PWM 控制较新的方法 。其将逆变器和电 机作为一个 整体 来考虑 , 着眼 于使电机的 磁通矢 量轨迹逼近圆 , 以 减少转 矩脉动 , 改善电机运 行 性能 。与 112节 的 SPWM 相比 , 不但逆变 器输出 谐波含量低 , 而且直流电压利 用率在所有 常用的 PWM 控制方法中 也是最高的 。 SVPWM 调制度 可 以超过 1[ 8 ] , 同时可以实现逆变器变压变频同时实 现 , 在线实现也较为方便 , 近几年在逆变器 PWM 控制中得到广泛的应用 。 ·72 ·
H IPWM 原理是在正弦波 中加入一定比例的三 次谐波 , 使调制信号呈现马鞍形 , 幅值明显降低 , 于是提高了 PWM 调制度 , 相应地提高了直流电压 利用率 [ 427] 。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。
除了可以注入三次谐波以外 , 还可以注入 3倍 频于正弦基波的其它分量 。这些分量 都不会影响 逆变器输出线电压。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 , 不 受 所 注 入 谐 波 分 量 的 影 响。实 际 上 H IPWM 法是 SPWM 法的改进 。
方法一 : 自然采样法 以正弦波为调 制波 、等腰 三角波 为载波 , 将 它们的瞬时 值大 小进行比较 , 在两个波形 的自然 交点时刻控 制逆 变器的通断 , 这是自然采 样法的 基本思想 , 如图 2 ( a)所示。其优点是所得的 SPWM 波形最接近正弦波 。但由于三角波与正弦波交点有 随意性 , 脉冲中心在一个周期内不等距 , 从而致使 脉宽时间表达式是一个超越方程 , 造成计算繁琐 、 难以实现实时控制 。为了解决自然采样方法的不足 , 人们提出了工程上常用的规则采样法。 方法二 : 规则采样法 规则采样法是一 种应用较广的 工程方法 , 一 般采用三角 波作 为载波 。其原 理是采用三 角波对 正弦调制波 进行 采样得到阶梯波 , 再以阶 梯波与 三角波的交 点时 刻来控制开关器 件的通断 , 从而 实现 SPWM 法 , 如图 2 ( b)所示 。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 种方法就是 所谓的 SPWM 对称规则采样法 。
3 电流跟踪型 PWM控制
电流控制 PWM 的基本思想是把期望逆变器输 出的电流波形作为参考信 号 , 把实际 的电流波形 作为反馈信号 , 通过比 较这两个信号 的瞬时值来 决定逆变器的通断 , 使 实际输出跟随 指令信号的 变化 。其实现方法主要有以下 3种 :
·71 ·
微电机
2009 年第 42卷第 1期
∞
∑ u (ωt) = U km s in ( kω1 t) k=1
式 中 , U km 为 第 k 次 谐 波 的 幅 值 ;
∫ 1
π
2π
u
0
(ωt)
sin ( kω1
t)
d (ωt)。
(1) U km =
逆变器由于采用 双极性调制 , 因此根据逆 变
器输出电压波形在 1 /4周期处有纵轴对称特点 , 即 u (ωt) = u (π - ωt) , U km可以做相应的简化 , 再根 据需要 , 消除指定谐波 , 取相应谐波的幅值为零 , 即 Ukm = 0 , 就可 以建立 消除特 定谐波 的方 程组 , 求解该方程组则可以得到所要求的各 脉冲波开关 时刻 。当然为了消除更 高次谐 波 , 就得求 解更多 的方程 。
方法一 : 滞环比较法 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 , 得出逆 变器的开关 驱动 信号 , 使得实 际电流跟踪 给定电 流的变化 。该方法 的优点 是电路结 构简单 , 容 易 实现 , 动态性能也 比较好 。其缺点 是逆变器开 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 流所含的谐 波分量 较多 。 方法二 : 载波比较法 该方法也称为瞬 时值反馈 控制法 [ 10 ] , 与 112 节的 SPWM 法中的三角载波比较方式不同 , 如图 3 所示 。这里是将指令电流与实 际输出电流 进行比 较 , 求出电流偏差 , 电流偏 差通过 放大器放大 后 再与三角载波比较 , 产生 PWM 波 , 因而实现固定 的逆变器开 关频 率 , 克服了滞 环比较法带 来逆变 器开关频率不固 定的缺点 。但是 , 这种控制方 式 由于加入了 放大 器环节 , 所以 电流动态响 应不如 滞环比较法快 。
微电机
2009 年第 42卷第 1期
中图分 类号 : TM32 文献标志码 : A 文章 编号 : 100126848 ( 2008) 1220070204
PWM 控 制 技 术 在 变 频 调 速 系 统 中 应 用 综 述
郭春平 , 王 奔 , 李 泰 , 黄北军 , 鲍 鹏 , 黄崇鑫
1 相电压控制型 PWM 控制
111 等脉宽 PWM 交流电动机变压变频 (VVVF)装置在早期是采
用脉冲幅值调制 (pulse amplitude modulation, PAM ) 控制技术来实现的 。变压可以通过可控整流器实现 , 也可以通过不可控整流器加 PWM 斩波器方式来实 现 , 而变频则通过逆变器来实现 。变压与变频是分 开控制的 [ 1] 。这是 PAM 调制方式的一个不足。
从理论上 讲 , 这一系列矩 形脉冲宽度 可以严 格地用计算的方法求得 , 作为控制逆 变器中各开 关器件通断的依据 , 但 常用的办法是 引用通信技 术中“调制 ”概念 , 以所期望的正弦波作为调制波 , 而被它调制的信号称为载波 。在 SPWM 中常用等 腰三角波作为载波 , 当 它与一个频率 相对较低正 弦波相交时 , 在交点时刻 , 控制开关器件的通断 , 即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于 该正弦波的 矩形脉冲 , 如图 1所示 。图中实线是 正弦调制信 号 , 虚线是对称三角载波信号 。
该方法虽然可以较 好地消除所指 定的谐波分 量 , 但是对没有指定消 除的谐 波 , 无法做 到消除 和抑制 , 而且计算的工 作量也 比较大 , 一 般采用 离线的迭代计算方法求出不同输出频 率下各个开 关角的 数值解 , 放入 微机内存中 , 待控制 时 , 以 便取用 。
2 线电压控制型 PWM控制
图 1 SPWM波形的生成方法
PWM 控制技术在变频调速系统中应用综述 郭春平 , 等
近几年来 , 对 SPWM 控制方 式研究较多 , 提 出的方法也 很多 。这些方法大 多是围绕为 了实现 某项指标而展开 的 , 其中 比较有意 义的 , 在变 频 调速系统逆 变器 中应用较多的方 法 , 主要 有以下 三类 [ 4 ] :
图 2 SPWM 波形的自然采样法和规 则采 样法
方法三 : 特定谐波消除法
特定谐波消除法 ( selective ha rmonic elim ination
PWM , SHEPWM )是以消除 PWM 波形中某些特定
的谐波为目 的的 方法 。对逆变 器输出电压 波形按
傅氏级数展开为 (双极性调制方式 ) :
图 3 载波比较法
方法三 : 预测电流控制法 预测电流控制是 在每个采样周 期开始时 , 根 据实际电流 误差 和负载参数变量 等因素 , 来预测 未来电压矢量变 化趋势 , 因此 , 下 一个采样周 期 由 PWM 产生的预测电压矢量必将起到减小误差的 作用 。该方法的优 点是 , 若 对调制 器给出除误 差 外较多的信息 , 则 可获得 更为准确 的响应 。这 类 调制器的局限性是动态响应速度一般比较慢 。
一般 , 任何一种脉宽调制技术均可归结为: 在 SPWM 调制波中注 入一定形式的三次谐波分量 与三角载波 进行 比较 , 再 通过 规则 采样 而得 到 。 当然三次谐波的具体形式要根据具体 所期望的逆 变器控制目标来选择 [ 9 ] , 比如在逆变 器低开关损 耗情况 下 , 如 何 选用 三次 谐波 分量 。 SVPWM 和 SPWM 不是两种孤立的调制方法 , 它们之间有着内 在的本质联 系 , 即 SVPWM 有其 对应的 SPWM 形 式 , 反过来讲 , 一些性能优越的 SPWM 也可以找 到与 之对 应的 SVPWM 算法 。这是 SVPWM 法和 SPWM 法之间的内在联系 。如图 4所示 。
(西南交通大学 电气工程学院 , 成都 610031)
摘 要 : 综述了 PWM 控制技术在变频调速系统中常用的控制方式 , 并对这些控制方式的基本原 理和基本算法进行了阐述 , 指出了它们的优缺点 。 关键词 : 脉冲宽度调制 ; 变压变频 ; 综述 ; 电动机控制
Survey on P ulse W id th an d its Appl ica t ion s in Va r ia ble Frequency System GUO Chun2ping, WAN G Ben, L I Ta i, HUANG B ei2jun, BAO Peng, HUANG Chong2xin ( School of Elec trical Engineering, Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China) Abstra ct: This paper p re sented a survey of the common control modes of the pulse width modula tion in variable frequency system s, and expound the basic rationals and algorithm s of these control modes, ac2 cordingly indicated their m erits and its shortcom ings. Key W or ds: Pulse width modulation; VVVF; Survey; Motor control
112 正弦脉宽调制 SPWM 法是一种比较成熟的 、使用较为广泛的
PWM 法 。 SPWM 法就是以采样控制理论作为基础 , 由于期望逆 变器 的输出电压是正 弦波 , 所 以可以 将正弦波按一个周期分作 N 等分 , 然 后把每一等
收稿日期 : 2007209224 ·70 ·
分的正弦曲线与横轴所包围的面积都 用一个与该 面积相等的等高矩形脉冲 来等效 , 矩 形脉冲的中 点与正弦波每一等分的中 点重合 。应 用采样定理 得知 : 这样所得 的 N 个等幅而不等宽的矩形脉冲 序列所组成的波形就与正弦波形等效 。
线电 压 控 制 型 PWM 控 制 也 称 为 谐 波 注 入 PWM (Ha rmonic Injection PWM , H IPWM )法 、马鞍 形波和三角载波比较法 。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 , 使其输 出接近正弦 波 , 但 是对于三相异步电动机这 类三相负载 , 利用三相 电路相电压三次谐波在线电压中被抵消这个原 理 [ 5 ] , 提出了 H IPWM 法 , 使逆变器输出不必追求 相电压接近于正弦 , 而在于使线电压趋于正弦 。
4 空间电压矢量型 PWM 控制
空间电压矢量型 PWM 控制 ( space voltage vec2 tor PWM , SVPWM )也叫 磁通轨迹 PWM 法 。作 为 一种优化 PWM 控制较新的方法 。其将逆变器和电 机作为一个 整体 来考虑 , 着眼 于使电机的 磁通矢 量轨迹逼近圆 , 以 减少转 矩脉动 , 改善电机运 行 性能 。与 112节 的 SPWM 相比 , 不但逆变 器输出 谐波含量低 , 而且直流电压利 用率在所有 常用的 PWM 控制方法中 也是最高的 。 SVPWM 调制度 可 以超过 1[ 8 ] , 同时可以实现逆变器变压变频同时实 现 , 在线实现也较为方便 , 近几年在逆变器 PWM 控制中得到广泛的应用 。 ·72 ·
H IPWM 原理是在正弦波 中加入一定比例的三 次谐波 , 使调制信号呈现马鞍形 , 幅值明显降低 , 于是提高了 PWM 调制度 , 相应地提高了直流电压 利用率 [ 427] 。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。
除了可以注入三次谐波以外 , 还可以注入 3倍 频于正弦基波的其它分量 。这些分量 都不会影响 逆变器输出线电压。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 , 不 受 所 注 入 谐 波 分 量 的 影 响。实 际 上 H IPWM 法是 SPWM 法的改进 。
方法一 : 自然采样法 以正弦波为调 制波 、等腰 三角波 为载波 , 将 它们的瞬时 值大 小进行比较 , 在两个波形 的自然 交点时刻控 制逆 变器的通断 , 这是自然采 样法的 基本思想 , 如图 2 ( a)所示。其优点是所得的 SPWM 波形最接近正弦波 。但由于三角波与正弦波交点有 随意性 , 脉冲中心在一个周期内不等距 , 从而致使 脉宽时间表达式是一个超越方程 , 造成计算繁琐 、 难以实现实时控制 。为了解决自然采样方法的不足 , 人们提出了工程上常用的规则采样法。 方法二 : 规则采样法 规则采样法是一 种应用较广的 工程方法 , 一 般采用三角 波作 为载波 。其原 理是采用三 角波对 正弦调制波 进行 采样得到阶梯波 , 再以阶 梯波与 三角波的交 点时 刻来控制开关器 件的通断 , 从而 实现 SPWM 法 , 如图 2 ( b)所示 。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 种方法就是 所谓的 SPWM 对称规则采样法 。
3 电流跟踪型 PWM控制
电流控制 PWM 的基本思想是把期望逆变器输 出的电流波形作为参考信 号 , 把实际 的电流波形 作为反馈信号 , 通过比 较这两个信号 的瞬时值来 决定逆变器的通断 , 使 实际输出跟随 指令信号的 变化 。其实现方法主要有以下 3种 :
·71 ·
微电机
2009 年第 42卷第 1期
∞
∑ u (ωt) = U km s in ( kω1 t) k=1
式 中 , U km 为 第 k 次 谐 波 的 幅 值 ;
∫ 1
π
2π
u
0
(ωt)
sin ( kω1
t)
d (ωt)。
(1) U km =
逆变器由于采用 双极性调制 , 因此根据逆 变
器输出电压波形在 1 /4周期处有纵轴对称特点 , 即 u (ωt) = u (π - ωt) , U km可以做相应的简化 , 再根 据需要 , 消除指定谐波 , 取相应谐波的幅值为零 , 即 Ukm = 0 , 就可 以建立 消除特 定谐波 的方 程组 , 求解该方程组则可以得到所要求的各 脉冲波开关 时刻 。当然为了消除更 高次谐 波 , 就得求 解更多 的方程 。
方法一 : 滞环比较法 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 , 得出逆 变器的开关 驱动 信号 , 使得实 际电流跟踪 给定电 流的变化 。该方法 的优点 是电路结 构简单 , 容 易 实现 , 动态性能也 比较好 。其缺点 是逆变器开 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 流所含的谐 波分量 较多 。 方法二 : 载波比较法 该方法也称为瞬 时值反馈 控制法 [ 10 ] , 与 112 节的 SPWM 法中的三角载波比较方式不同 , 如图 3 所示 。这里是将指令电流与实 际输出电流 进行比 较 , 求出电流偏差 , 电流偏 差通过 放大器放大 后 再与三角载波比较 , 产生 PWM 波 , 因而实现固定 的逆变器开 关频 率 , 克服了滞 环比较法带 来逆变 器开关频率不固 定的缺点 。但是 , 这种控制方 式 由于加入了 放大 器环节 , 所以 电流动态响 应不如 滞环比较法快 。
微电机
2009 年第 42卷第 1期
中图分 类号 : TM32 文献标志码 : A 文章 编号 : 100126848 ( 2008) 1220070204
PWM 控 制 技 术 在 变 频 调 速 系 统 中 应 用 综 述
郭春平 , 王 奔 , 李 泰 , 黄北军 , 鲍 鹏 , 黄崇鑫
1 相电压控制型 PWM 控制
111 等脉宽 PWM 交流电动机变压变频 (VVVF)装置在早期是采
用脉冲幅值调制 (pulse amplitude modulation, PAM ) 控制技术来实现的 。变压可以通过可控整流器实现 , 也可以通过不可控整流器加 PWM 斩波器方式来实 现 , 而变频则通过逆变器来实现 。变压与变频是分 开控制的 [ 1] 。这是 PAM 调制方式的一个不足。
从理论上 讲 , 这一系列矩 形脉冲宽度 可以严 格地用计算的方法求得 , 作为控制逆 变器中各开 关器件通断的依据 , 但 常用的办法是 引用通信技 术中“调制 ”概念 , 以所期望的正弦波作为调制波 , 而被它调制的信号称为载波 。在 SPWM 中常用等 腰三角波作为载波 , 当 它与一个频率 相对较低正 弦波相交时 , 在交点时刻 , 控制开关器件的通断 , 即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于 该正弦波的 矩形脉冲 , 如图 1所示 。图中实线是 正弦调制信 号 , 虚线是对称三角载波信号 。
该方法虽然可以较 好地消除所指 定的谐波分 量 , 但是对没有指定消 除的谐 波 , 无法做 到消除 和抑制 , 而且计算的工 作量也 比较大 , 一 般采用 离线的迭代计算方法求出不同输出频 率下各个开 关角的 数值解 , 放入 微机内存中 , 待控制 时 , 以 便取用 。
2 线电压控制型 PWM控制
图 1 SPWM波形的生成方法
PWM 控制技术在变频调速系统中应用综述 郭春平 , 等
近几年来 , 对 SPWM 控制方 式研究较多 , 提 出的方法也 很多 。这些方法大 多是围绕为 了实现 某项指标而展开 的 , 其中 比较有意 义的 , 在变 频 调速系统逆 变器 中应用较多的方 法 , 主要 有以下 三类 [ 4 ] :
图 2 SPWM 波形的自然采样法和规 则采 样法
方法三 : 特定谐波消除法
特定谐波消除法 ( selective ha rmonic elim ination
PWM , SHEPWM )是以消除 PWM 波形中某些特定
的谐波为目 的的 方法 。对逆变 器输出电压 波形按
傅氏级数展开为 (双极性调制方式 ) :
图 3 载波比较法
方法三 : 预测电流控制法 预测电流控制是 在每个采样周 期开始时 , 根 据实际电流 误差 和负载参数变量 等因素 , 来预测 未来电压矢量变 化趋势 , 因此 , 下 一个采样周 期 由 PWM 产生的预测电压矢量必将起到减小误差的 作用 。该方法的优 点是 , 若 对调制 器给出除误 差 外较多的信息 , 则 可获得 更为准确 的响应 。这 类 调制器的局限性是动态响应速度一般比较慢 。