第6章 脉冲宽度调制技术

3 调制方式：同步调制和异步调制
载波频率与调制信号频率之比，称为载波比。可分为同步调制 和异步调制。 （1）同步调制：载波比N不变，即一个信号周期内含有固定数目 的载波周期，当调制信号频率变化时，需调整载波频率，使载 波与调制信号始终保持同步。 优点：在输出信号频率变化的范围内，皆可保持输出波形的正、 负半波完全对称，只有奇次谐波存在。 缺点：当调制信号的频率很低时，每个信号周期内的 PWM 脉 冲数过少，低次谐波分量较大。如果负载为电动机，就会产生 较大的转矩脉动和噪声。 实际应用中多采用分段同步调制方式，即在低频运行时，使载 波比有级地增大，在有级地改变一个信号周期内 PWM 脉冲数 目的同时，仍保持其半波和三相的对称关系
（2）异步调制：采用固定不变的载波频率，即载波信号 不随调制参考信号做同步变化。 优点：是当参考信号频率较低时，载波比较高，低频 输出特性好，当负载为电动机时，低频转矩脉动和噪 声小。 缺点：当调制信号频率变化时，难以保证载波比为整 数，特别是能被 3 整除的数，因而不能保证正负半周 期脉冲的对称性、半周期内 1/4 周期脉冲的对称性， 以及三相之间的对称性，易产生次谐波。实际应用时， 异步调制不如分段同步调制方式应用得广泛。
第六章 脉冲宽度调整技术
6.1概述 6.2正弦PWM
6.3空间矢量脉宽调制
6.4跟踪型PWM
6.5减小谐波的措施
Power Electronics
6.1概述
PWM （Pulse Width Modulation）控制就是通过对 一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的 波形（包括形状和幅值）。
c c c c c

Tc

4
c

4
c

4
c
4 5 1 t A n Tc a sin r t A 4 Tc 1 4 t n 3 T a sin t c B r B Tc 4
Power Electronics
6.2.5 SPWM波形的谐波分析
SPWM输出波uo可表示为
uo cos n c t d ct - E 1 u bn o sin n ct d ct - E an 1

E uo E
a0
ct 1 或 ct 2 1 ct 2
1 a sin r t D


2
2 Tc 2
Tc (1 a sin r t D ) 2
在三角波一周期内，脉冲两边得间隙宽度为：
Tc 1 ' (Tc ) (1 a sin r t D ) 2 4
说明： （1）自然采样法和规则采样法，都属于近似 计算方法，控制周期越短，逼近效果越好。 自然采样法采用自然相交点，规则采样法采用 近似交点，所以自然采样法的近似效果比规则 采样法更为精确。 （2）在软件计算SPWM波形时，为计算的方便， 常规定三角波相邻两个正峰值或两个负峰值之间为一个周期。
采样时刻在三角波波峰的 规则采样法：若将采样时 刻确定在三角载波的波峰 时刻，通过采样点 D 向后 延伸作一水平直线，分别 与三角载波交于E、F两点， tE 和 tF 和 时 刻 即 为 SPWM 脉冲的跳变时刻。由于 tE 和 tF 时刻均在采样时刻之 后，因此可以采用实时控 制方法，而不需要采用预 测计算。
Power Electronics
6.2.4 SPWM电子电路生成方法
（1） 纯粹由模拟电路元件生成。 首先由模拟电路构成三角波和正弦波发生 器，分别产生三角载波信号和正弦波调制参考信号，然后送入电压 比较器。模拟电路生成法的优点是完成三角载波和调制波的比较、 输出 SPWM 波形几乎是瞬间完成的，延时非常微小；模拟电路生 成法的缺点是所需的分立元件较多，可靠性降低，不便于调试和 修改控制参数，很不灵活，而且系统受温漂和时漂的影响大，造 成误差，难以实现优化PWM控制的。 （2）采用单片机和可编程定时器，通过实时计算或查表方法产生所需 的PWM波。 （3）采用模拟电路和数字电路混合的方法，充分利用数字电路的灵活 性，又充分利用了模拟电路延时小的优点，从而实现性能优良的 PWM控制。 Power Electronics
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上， 其输出效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。
Power Electronics
SPWM波形
把正弦半波分成n等份得到由n个彼此相连 的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度 相等，都等于π/n，但幅值不等，且脉冲 顶部不是水平直线，这些脉冲的幅值按正 弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等 宽的方波脉冲代替，使方波脉冲的中点和相应正弦脉冲波的 中点重合，且使两者相对于时间轴面积相等，就得到脉冲序 列。这就是 PWM 波，这些 PWM 脉冲幅值相等，而宽度按照 正弦规律变化。根据面积等效原理，PWM波和正弦半波对惯 性负载是等效的。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正 弦波等效的PWM波形，称为SPWM（Sinusoidal PWM）波形。
2.载波调制法
载波调制法是把希望输出的波形作为调制信号，与 Power Electronics 载波进行比较，从而得到期望的PWM 波形。
2载波调制法 ----单相桥式PWM逆变电路
1）单极性SPWM的调制方法
A ur正半周，V1保持通，V2保持断, VT3和VT4交替通断 (1) VT1和VT4导通，Uo=Ud； (2) VT4关断，负载电流通过VT1和VD3续流，Uo=0； (3) 若负载电流为负，仍为VT1和VT4导通，Uo=Ud; (4) VT4关断，VT3导通，Uo=0； 总结：在正半周，Uo可得到0和Ud两种电平。 B ur负半周，V1保持断，V2保持通， VT3和VT4交替通断 同样分析，在负半周，Uo也可得到0和-Ud两种电平。 u
等腰三角波 : 在三角载波的负峰值点对 调制波进行采样得到 D 点，过 D 点作一 水平直线和三角波分别交于 A 、 B 两点， 在 tA 和 tB 时刻控制电力电子开关的通断。 这样，每个 PWM 脉冲都以相应的三角 波中点为左右对称。 Power Electronics
规则采样法---自然采样法
uc ur
如何控制VT3和VT4的通断呢？
O
wt
uo uof
——当ur>uc时，使V4通，V3断，uo=Ud ； ——当ur<uc时，使V4断，V3通，uo=0 。 ——当ur>uc时，使V4通，V3断，uo=0； ——当ur<uc时，使V4断，V3通，uo=-Ud。
uo Ud O
wt
表示uo的基波分量
-Ud
2）双极性SPWM的调制方法
当ur >uc时，V1和V4导通，V2和V3关断 ——io>0时，V1和V4工作，uo=Ud ； ——io<0时，VD1和VD4工作，uo=Ud 。
在ur和uc的 交点时刻 控 制 IGBT 的通断
当ur >uc时，V2和V3导通，V1和V4关断 ——io<0时，V2和V3工作，uo=-Ud ； ——io>0时，VD2和VD3工作，uo=-Ud 。
Power Electronics
要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例 系数改变上述各脉冲的宽度即可。
被调制的信号可以是任意形状的波形，它们的实现原 理与SPWM相同，即面积等效原理。
Power Electronics
6.2.2 SPWM的生成方法
1.直接计算法
直接计算法是指通过计算每个控制周期内调制波与时 间轴之间的垂直面积，按面积等效原理计算出对应控 制周期内 PWM 脉冲（幅度一般都可事先得到）的宽 度。 缺点：当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位动态 变化时，或需要输出的波形不能事先确定，只能实时 计算得到时，就需要实时计算每个控制周期 PWM 波 的宽度和动作时刻，这时直接计算法相当繁琐。 优点：可以做到精确计算。
( n 1, 2, ...) (n 1, 2, ...)
其中
(n 0, 1, 2, ...) (n 1, 2, ...)
uo a0 an cos ct bn sin ct E 2 n1
u
ur
uc
O
特点：
在ur的半个周期内，三角波载波有正 有负，所得 PWM 波也有正有负，其幅 值只有±Ud两种电平。
uo Ud O -Ud uof uo
wt
wt
2.载波调制法 ----三相桥式 PWM逆变电路
当 UrU>Uc 时， VT1 导通， VT4 关断 uuN’= Ud/2。 当UrU<Uc时，VT4导通, VT1关断uuN’= Ud/2。 VT1 和 VT4 的 驱 动 信 号 互 补 。 给 VT1 和 （ VT4 ） 加 驱 动 信 号 时 ， 可 能 是 VT1 （ VT4 ) 导通，也可能是 VD1 （ VD4 ）续 流导通（负载带电感，电流可能为 负）。 V相和W相的控制方式与U相相同。 UNN’= （uUN’+ uVN’+ uWN’）/3 uUN = uUN’-UNN’ 可见负载相电压的 PWM 波有（±2/3 ） Ud ,（±1/3）Ud 和 0一共5种电平。
（4）PWM也可采用基于EPROM存储器的方法实现。这 种方法的优点是它可以做成独立运行的模块，可有效 地节省微机资源。
（5）采用PWM专用集成电路。目前已出现了多种PWM 专用集成芯片（ ASIC ）。如 Intel 公司的 MCS-80C196 和87C196系列、AD公司的ADMC331、MOTOROLA 公司的68HC908MR16等可输出6路独立的PWM波形， TI公司的TMS320F2X等可输出12路PWM波形。
PWM控制的功能----将信息电路计算出来的输出参考 信号转换成对应的控制信号，来控制电力电子器件的 导通与断开，从而得到期望的输出信号。
PWM 控制技术的优点：控制简单、灵活、动态响应 好。 PWM 应用范围：交、直流载波电力、整流电路、逆 变电路。
Power Electronics
Βιβλιοθήκη Baidu
6.2正弦PWM
Power Electronics
6.2.3 SPWM波形的软件生成方法 （1）自然采样法 正弦调制信号波 ur a sinw r t 在正弦波和三角波的自 a称为调制度，0≤a<1；wr 为 然交点时刻控制功率开 信号波角频率。 4 5 5 3 关器件的通断，这种方 n T t n T 1 t n T 4 4 4 T u 3 1 法称为自然采样法。 1 4 t n 3 T n T t n T
解得：ta和tb
由于求解超越方程的困难性，自然 采样法往往有模拟电路实现。实际 应用少。 Power Electronics
6.2.3 SPWM波形的软件生成方法
规则采样法 锯齿波 : 锯齿波的垂直边和正弦调制波 的交点时刻是确定的，所需计算的只是 锯齿波斜边和正弦调制波的交点时刻， 计算量明显减少。由于锯齿波是非对称 的波形，其输出波形中含有偶次谐波， 总的谐波含量也比等腰三角载波大。
6.2.1 SPWM原理 6.2.2 SPWM波形的生成方法
6.2.3 SPWM波形的软件生成方法
6.2.4 SPWM波形的电子电路生成方法
6.2.5 SPWM波形的谐波分析
6.2.6 SPWM模式优化技术
Power Electronics
6.2.1SPWM原理
面积等效原理----PWM控制技术的重要理论基础：