脈沖寬度調(diào)制(pwm)技術(shù)原理

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1、一、PWM技術(shù)原理　　由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡化，而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡稱PwM技術(shù)。PwM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PwM方式構(gòu)成的逆變器，其輸人為固定不變的直流電壓，可以通過PwM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一個可控的功率級，簡化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因?yàn)榧驂?、調(diào)頻于一身，所以

2、調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)好。此外，采用PwM技術(shù)不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。把每半個周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個脈沖，每個脈沖的寬度為每兩個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比γ為　　此時，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實(shí)現(xiàn)變頻也變壓的效果。二、正弦波脈寬調(diào)制(sPwM）1．sPwM的概念　　工程實(shí)際中應(yīng)用最多的是正弦PwM法(簡稱sPwM)，它是在每半個周期內(nèi)輸出若干個寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應(yīng)

3、正弦波各相應(yīng)每一等份的正弦波形下的面積可用一個與該面積相等的矩形來代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個等幅(Vd)不等寬的矩形脈沖面積之和來等效。各矩形脈沖的寬度自可由理論計(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來確定脈寬：因?yàn)榈妊切尾ǖ膶挾茸陨舷蛳率蔷€性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時，可得到一組幅值不變而寬。度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可生成sPwM波形。在工程應(yīng)用中感興趣的是基波，假定矩形脈沖的幅值Vd恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)N也不變，通過理論分析可知，其基波的幅值V1m脈寬δ

4、i有線性關(guān)系　　在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，如圖53所示；這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。sPwM方式的控制方法可分為多種。從實(shí)現(xiàn)的途徑可分為硬件電路與軟件編程兩種類型；而從工作原理上則可按調(diào)制脈沖的極性關(guān)系和控制波與載波間的頻率關(guān)系來分類。按調(diào)制脈沖極性關(guān)系可分為單極性sPwM和雙極性sPwM兩種?！　?．雙極性sPwM法　　雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，

5、逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情況　　4．sPwM生成方法　　正弦脈寬調(diào)制波(sPwM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。　　按照前面講述的PWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可

6、以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成的SPWM波形變得比較容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要介紹用軟件生成SPWM波形的幾種基本算法。自然采樣法　　按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。正弦波在不同相位角時其值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不同。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖的寬度也相應(yīng)變化。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。生成sP

7、WM自然采樣法　　左圖給出了用自然采樣法生成SPWM波形的方法?！　〗稽c(diǎn)A是發(fā)出脈沖的時刻tA，交點(diǎn)B是結(jié)束脈沖的時刻tB，t2為脈寬，t1+t3為脈寬間歇時間，Tc=t1+t2+t3。為載波周期，M=Urm/Utm為調(diào)制度，Urm為調(diào)制波幅值，Utm為載波幅值。　　設(shè)Utm=1，則Urm=M，正弦調(diào)制波為ur=Msinω1t，ω1為調(diào)制頻率，也是逆變器輸出頻率。由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算式t2=Tc/2[1+M/2(sinω1tA+sinω1tB)]　　這是一個超越方程，tA、tB與載波比N和調(diào)制度M都有關(guān)系，求解困難，并且tl≠t3，計(jì)算更增加

8、困難，這種采樣法不適宜微機(jī)實(shí)時控制。規(guī)則采樣法　　自然采樣法的主要問題是SPWM