PWM技术优化的实现与应用_李开彦

4 结语
[3] Ngoc Quy Le, Jung Uk Cho, Jae Wook Jeon.Application of Ve－ locity Profile Generation and Closed-Loop Control in Step Mo－
经过分析步进电机构成的开环控制系统存在的
tor Control System [J]. SICE-ICASE, International Joint Confer－ ence, 2006:3593-3598.
单、易实现，机床响应快，效率高；针对直线加减速控
（责任编辑 王凤英）
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收稿日期:2011-03-20;修订日期:2011-05-18 作者简介:李开彦（1983-），男，湖北黄冈人，电气工程师，研究方向：电力系统分析与控制。
第9期
李开彦，等：PWM 技术优化的实现与应用
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件的方法解决的, 这是由 PWM 驱动信号自身特点 波电流无通路，所以 3 个线电压和线电流中均不含
图 1 随机信号与正弦信号比较图
1.2 准正弦 PWM 技术
在逆变电路输出的 3 个线电压中，独立的只有
2 个。对 2 个线电压进行控制，适当地利用多余的 1
个自由度来改善控制性能，这就是线电压控制方式，
图 4 电压型三相桥式逆变电路
也叫准正弦 PWM 技术。
2.1 随机 PWM 技术实验结果分析
其原理是在正弦波中加入一定比例的 3 次谐
通过随机信号来与正弦波相比较所生成的
波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低 PWM 波形送给主电路的仿真结果如图 5 所示：
（见图 2），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 3 次谐
图 2 正弦信号叠加三次谐波后的波形
第 30 卷
图 9 随机 PWM 频谱图
图 10 改进的随机 PWM 频谱图
图 6 改进的随机开关 PWM 原理图 图 7 改进的电流，相电压，线电压的仿真结果图
鞍形波，输出相电压中也含 3 次谐波，且三相的 3 次 谐波相位相同，而且通过计算 3 次谐波的幅值为基 波幅值的 1/6 时可以达到最优效果。由此合成线电 压时，3 次谐波相互抵消，线电压为正弦波。
第 30卷第 9 期 2011 年9 期
煤炭技术
Coal Technology
Vol.30,No.09 September,2011
PWM 技术优化的实现与应用
李开彦，贺 攀，干 磊
（黄石供电公司，湖北 黄石 435000）
摘 要:PWM 技术在电力电子系统中应用广泛，并且具有重要地位。但是 PWM 技术在应用中也存在许多不足之
应在正弦参考信号 U1 上叠加多大幅值的 3 次 谐波，才能使其调制系数 m 尽可能地提高，以充分 利用逆变器电压容量，而不增加高次谐波的分量呢？ 推导如下：
设正弦参考信号 U1 为单位正弦波，则合成参 考信号 U 为：
U=sinθ+αsinθ 式中，θ=ωt,而 α 为代定数值。
U 对 θ 求导微分，并使其为零，求出极值点 Umax, α 的最佳值就是在 Umax 的极值处，因此通过对 Umax 表达式进行微分，并使其为零。得出 α=1/6；
综合上述，优化的随机 PWM 技术，其优势体现 在提高基波电压利用率，减少高次谐波。 2.2 准正弦 PWM 技术实验结果分析
在相电压调制信号中叠加 3 次谐波，使之成为
把 α=1/6 代入 U 得出 Umax=姨 3 /2=0.866 可见，在正弦参考信号 U1 上叠加正弦基波的 1/6 幅值的 3 次谐波，其结果按 0.866 的系数降低了 U1 波形的幅值，按系数 K 增加调制正弦基波的幅 值，以重新利用逆变器的满输出电压，这是可能的， 为此，调制波变为
图 5 电流与相电压、线电压的仿真波形图
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煤炭技术
由仿真结果可以得出，优化的 PWM 的波形不 是很理想，电流波形不对称，电压波形谐波较多。根 据抽样定理，在此基础上提出一种改进的方法，即用 随机信号与三角波两者相乘，再与正弦波相比较，由 此生成的 PWM 波形，送给主电路。
随机信号与三角波相乘的随机开关 PWM 原理 如图 6 所示，其仿真结果如图 7 所示，再由其仿真频 谱分析比较图如图 8 所示。
问题，提出了实现加减速控制的必要性；在对直线 [4]
型、指数型和 S 型 3 种加减速曲线数学模型研究后， [5] 结合系统特点，选择直线型加减速算法，该算法简
刘敏.数控机床伺服系统加减速控制的指数算法及其分析[J].机 械设计与制造,2002（6）:71-72. 张华宇,王孚懋，徐方全.S 型曲线加减速算法的研究[J].现代制造 技术与装备,2006,171（2）:21-22.
处。例如在逆变电路中，SPWM 技术的直流电压利用率较低，含有较大的谐波分量，电磁干扰（EMI）严重，开关损耗
较大。优化 PWM 技术关键在于通过对常规 PWM 技术的改进，在确保实现电力电子系统基本功能的同时，尽可能
减小 PWM 技术在应用中的不足。文章分析了几种优化 PWM 技术的原理，并且介绍了其模型。
及其它特定优化目标。
弦分别为 Uru1,Urv1 和 Urw1。
1 三种优化 PWM 技术原理
1.1 随机PWM 技术 随机开关 PWM 是最早发表的随机 PWM 控制
策略，其基本原理是，用随机信号代替三角波信号， 与正弦波相比较调制生成 PWM 信号，来送给三相
Up=-min（Uru1,Urv1,Urw1）-1 Uru=Uru1+Up Urv=Urv1+Up Urw=Urw1+Up
开关损耗最小的三相电压波形图如图3 所示：
桥式逆变电路，从而实现了逆变器的电压的输出，而
输出电压基波周期也由参考电压的周期决定。从这
点来看，它与正弦 PWM 极为相似，只不过载波信号
由三角波变成随机信号而已。这里的随机信号对应
的概念是一个幅值为随机数的信号。只要参考信号
中一个基波范围内随机数的个数足够多，也即随机
得出此时的 cosθ=1/2；θ=nπ/3（n=1,2,3…不能为 3 的倍数）
图 8 标准 PWM 频谱图
从图 8 可知：传统的正弦波与三角波生成的 PWM 方法，其频谱图中基波含有率不高，含有较多 的高次谐波。随机 PWM 方法与标准方法相比较可 知，随机 PWM 技术能够明显减少高次谐波，但是同 时加入随机数，就必然引起其它的谐波，此时的 THD 也就相应地有所增加。如图 9，在改进的随机 PWM 方法里面虽然在基波附近的谐波增加，但是其 余的高次谐波明显的减少，THD 也会减少，电压利 用率得到进一步的提高，如图 10 所示。
所决定的。因此，文中提出随机 PWM 调制技术，以 3 次谐波。
及在此基础上提出了一种改进的随机 PWM 调制技 1.3 开关损耗最小 PWM 技术
术，此技术是减少电力电子开关电路 EMI 和减少高
在正弦波 PWM 中，正弦信号波和三角载波进
次谐波的有效方法之一。此外，文中分别提出了准正 行比较，在两波形相交时进行开关切换。但在实际应
U=k（sinθ+1/6sin3θ） 假定没有最少脉宽的限制，Umax 可以等于 1，根 据 上 式 得 知 ， 如 果 原 设 计 的 Umax 为 0.866 则 1 = k*0,866,即叠加 1/6 幅值的 3 次谐波后，在调制波不 发生饱和的条件下，使正弦参考信号 U1 的幅值增 加 15.5%，使 m>1。最终，可使主回路输出相电压基 波幅值产生了 15.5%的增量。从而使系统在不增加 高次谐波分量的条件下，又充分利用了逆变器主回 路的输出电压，使得逆变输出电压几乎等于交流电 源送给逆变器的电压。 其电流，相电压，线电压的仿真结果如图 11 所 示，其频谱特性仿真的结果如图 12 所示。
（Huangshi Electric Power Supply Company, Huangshi 435000, China）
Abstract:The PWM technology is widely applied in the electric power electron system, which enjoys an important status in the electric power electronic technology. However, the PWM technology also has many insufficiencies in the application. For example, in the contravariant electric circuit, the usage ratio of the SPWM technology DC voltage is low, while the harmonic content is rich, causing serious electromagnetic interference as well as large switching loss. The key to optimize the PWM technology lies in the improvement of the conventional PWM technology, and at the same time guarantee the realization of basic functions of the electric power electron system and reduce the insufficiency of the PWM technology as far as possible in the application. In the paper, several techniques of the optimization of PWM are analyzed, its model is introduced. Key words:PWM control technology; electric power electron; accurate sine; stochastic switch; switching loss
弦 PWM 技术和开关损耗最小 PWM 技术。
用中，变频器的输出端 U，V，W 没有中性点，只有 3
此 3 种优化 PWM 技术所追求的是实现电流谐 个自由度，换句话说，此时不考虑相电压，只要考虑
波畸变率（THD）最小，电压利用率较高，电磁干扰 输出 3 个线电压即可。
（EMI）减弱，含有较小的谐波分量，开关损耗最小， 假设三角波载波幅值为 1，三相调制信号的正
速运行，同时进行减速点位置的判断。如果达到减速 出了一种对减速点自动判断的算法；采用 SEP4020
点位置，则切换到减速阶段（DECEL）运行。
处理器 PWM 模块实现了速度控制的软件方案设计
当进入减速阶段（DECEL）后，步进电机减速运 与实现。
行。减速阶段减速频率表中的计数值，通过不断改变 参考文献：
PWM 周期寄存器的计数值来实现降速控制。减速步 [1] 刘伟. 基于 SEP4020 的嵌入式多面菱体磨削控制系统的设计与
研究[D].重庆：重庆大学，2010.
数运行完毕后，中断禁止，停止脉冲发送，从而停止 [2] 浦艳敏.关于数控系统加减速控制的研究[J] .科学技术与工程,
步进电机运行。
2009（22）:6782-6785.
子装置系统已广泛应用于生产中，其中 PWM 控制
0 引言
技术是电力电子技术中的重要技术之一。PWM 驱
近年来，随着电力电子技术的快速发展，电力电 动信号所造成的电磁干扰（EMI）是无法依靠增加硬
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
当进入匀速阶段（RUN）后，步进电机将保持匀 制算法，分析了实现加减速自动控制的关键问题，提
图 3 开关损耗最少的三相电压波形图
信号频率足够高，则输出电压的波形就能满足一定
的性能要求，如电流畸变变小，谐波分量少等。随机 2 实验结果分析
信号与正弦信号比较图如图 1 所示。 主电路的拓扑结构：以 3 种优化 PWM 技术应
用于电压型三相桥式逆变电路为例，电路图如图 4
所示，其中直流电压源为 5V。
关键词:PWM 控制技术；电力电子；准正弦；随机开关；开关损耗
中图分类号:TD464
文献标识码:A
文章编号:1008-8725（2011）09-0066-04
Optimization and Application of PWM Technology
LI Kai-yan, HE Pan, GAN Lei