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PWM控制技术 第7章 PWM控制技术7.1 PWM控制的基本原理 控制的基本原理 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 PWM逆变电路及其控制方法 7.3 PWM跟踪控制技术 跟踪控制技术 7.4 PWM整流电路及其控制方法 整流电路及其控制方法

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引言■PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽 ( ) 度进行调制的技术， 度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调 来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 5章的直流斩波电路实际上采用的就是 章的直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术 技术， ■第5章的直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，第6 章中涉及到PWM控制技术的地方有两处 一处是第6.1节 控制技术的地方有两处， 章中涉及到PWM控制技术的地方有两处，一处是第6.1节 中的斩控式交流调压电路，另一处是第6.4节矩阵式变频 中的斩控式交流调压电路，另一处是第 节矩阵式变频 电路。 电路。 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛， ■PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛 路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中， 路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝 大部分都是PWM型逆变电路。 型逆变电路。 大部分都是 型逆变电路2

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7.1 PWM控制的基本原理 控制的基本原理■面积等效原理 控制技术的重要理论基础。 ◆是PWM控制技术的重要理论基础。 控制技术的重要理论基础 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， ◆原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其 效果基本相同。 效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。 冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近， 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高 频段略有差异。 频段略有差异。 ◆实例 将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图 所示的脉冲作为输入， 所示的R-L电路上， 电路上 将图 、 、 、 所示的脉冲作为输入 加在图7-2a所示的 所示的 电路 设其电流i(t)为电路的输出 为电路的输出， 给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形 设其电流 为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时 的响应波形。 给出了不同窄脉冲时 的响应波形。

图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图7-2 冲量相同的各种窄脉

冲的响应波形 3

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7.1 PWM控制的基本原理 控制的基本原理■用PWM波代替正弦半波 波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度 ◆将正弦半波看成是由 个彼此相连的脉冲宽度 曲线且大小按 为π/N,但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化 ，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化 的脉冲序列组成的。 的脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽 ◆把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽 的矩形脉冲代替， 的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波 部分的中点重合， 部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部 分面积(冲量)相等，这就是PWM波形。 波形。 分面积(冲量)相等，这就是 波形 对于正弦波的负半周， ◆对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得 波形。 到PWM波形。 波形 ◆脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，也称 波形， 波形 也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。 ( )波形。 波形可分为等幅 ■PWM波形可分为等幅 波形可分为等幅PWM波和不等幅 波 不等幅PWM波 波 两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅 波通常是等幅PWM 两种，由直流电源产生的 波通常是等幅 波。 基于等效面积原理， ■基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其 波形还可以等效成其 他所需要的波形， 他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形 等。

图7-3 用PWM波代替正弦半波 波代替正弦半波

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7.2 PWM逆变电路及其控制方法 逆变电路及其控制方法7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 计算法和调制法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM逆变电路的谐波分析 PWM逆变电路的谐波分析 提高直流电压利用率 和减少开关次数 空间矢量SVPWM SVPWM控制 7.2.6 空间矢量SVPWM控制 PWM逆变电路的多重化 7.2.7 PWM逆变电路的多重化5

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7.2.1 计算法和调制法■计算法 根据逆变电路的正弦波输出频率 幅值和半个周期内 正弦波输出频率、 ◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内 脉冲数， 波形中各脉冲的宽度 的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算 波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算 出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断， 出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断， 就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。 波形， 就可以得到所需要的 波形 这种方法称之为计算法。 计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、 ◆计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅 值或相位变化时，结果都要变化。 值或相位变化时，结果都要变化。 ■调制法 把

希望输出的波形作为调制信号 调制信号， ◆把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波 通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 载波， 波形。 作为载波，通过信号波的调制得到所期望的 波形 通常采用等腰三角波 锯齿波作为载波 等腰三角波或 作为载波， ◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三 角波应用最多。 角波应用最多。6

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7.2.1 计算法和调制法阻感负载

单相桥式PWM逆变电路 图7-4 单相桥式 逆变电路

逆变电路( ■单相桥式PWM逆变电路(调制法) 单相桥式 逆变电路 调制法) ◆电路工作过程 工作时V 通断互补， 通断也互补， 工作时 1和V2通断互补，V3和V4通断也互补， 比如在u 正半周， 导通， 关断， 交替通断。 比如在 o正半周，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断。 负载电流比电压滞后，在电压正半周， 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有 一段区间为正，一段区间为负。 一段区间为正，一段区间为负。 √在负载电流为正的区间，V1和V4导通时， 在负载电流为正的区间， 导通时， 在负载电流为正的区间 uo=Ud。 √V4关断时，负载电流通过 1和VD3续流，uo=0。 关断时，负载电流通过V 续流， 。 √在负载电流为负的区间，仍为 1和V4导通时， 在负载电流为负的区间， 导通时， 在负载电流为负的区间 仍为V 为负， 实际上从VD 流过，仍有u 因io为负，故io实际上从 1和VD4流过，仍有 o=Ud。 √V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。 关断， 开通后， 续流， 。 √uo总可以得到 d和零两种电平。 总可以得到U 和零两种电平。 的负半周， 保持通态， 保持断态， 在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态， V3和V4交替通断，负载电压 o可以得到 d和零两种 交替通断，负载电压u 可以得到-U 电平。 电平。

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7.2.1 计算法和调制法◆单极性PWM控制方式 单极性 控制方式 调制信号u 为正弦波，载波u 调制信号 r为正弦波，载波 c在ur的 正半周为正极性的三角波， 正极性的三角波 正半周为正极性的三角波，在ur的负半周 负极性的三角波 的三角波。 为负极性的三角波。 的正半周， 保持通态， 在ur的正半周，V1保持通态，V2保持 断态。 断态。 √当 √当ur>uc时使V4导通，V3关断， 时使V 导通， 关断， uo=Ud。 √当ur<uc时使 4关断，V3导通， 时使V 关断， 导通， 当 uo=0。 。 的负半周， 保持断态， 在ur的负半周，V1保持断态，V2保持 通态。 通态。 √当ur<uc时使 3导通，V4关断， 时使V 导通， 关断， 当 uo=-Ud。 √当ur>uc时使 3关断，V4导通， 时使V 关断， 导通， 当 uo=0。 。

u O uo Ud O -Ud

单相桥式PWM逆变电路

图7-4 单相桥式 逆变电路 uc ur

ωtuo uof

ωt单极性PWM控制方式波形 图7-5 单极性 控制方式波形 8

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7.2.1 计算法和调制法◆双极性PWM控制方式 双极性 控制方式 在调制信号u 和载波信号u 在调制信号 r和载波信号 c的交点 时刻控制各开关器件的通断。 时刻控制各开关器件的通断。 的半个周期内， 在ur的半个周期内，三角波载波有 正有负，所得的PWM波也是有正有负， 波也是有正有负， 正有负，所得的 波也是有正有负 的一个周期内，输出的PWM波只 在ur的一个周期内，输出的 波只 两种电平。 有±Ud两种电平。 的正负半周， 在ur的正负半周，对各开关器件的 控制规律相同。 控制规律相同。 √当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3 导通， 当 ωt 关断，这时如i , 关断，这时如 o>0,则V1和V4通，如 io<0,则VD1和VD4通，不管哪种情况都 ， 是uo=Ud。 √当ur<uc时，V2和V3导通，V1和V4 导通， 当 关断，这时如i , 和 通 ω t 关断，这时如 o<0,则V2和V3通，如 io>0,则VD2和VD3通，不管哪种情况都 ， 是uo=-Ud。9

u

单相桥式PWM逆变电路 图7-4 单相桥式 逆变电路 ur uc

O

uo Ud O -Ud

u of

uo

双极性PWM控制方式波形 图7-6 双极性 控制方式波形

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7.2.1 计算法和调制法

图7-7 三相桥式 三相桥式PWM型逆变电路 型逆变电路

逆变电路( ■三相桥式PWM逆变电路(调制 三相桥式 逆变电路 法) 采用双极性控制方式。 ◆采用双极性控制方式。 三相的PWM控制通 ◆U、V和W三相的 、 和 三相的 控制通 常公用一个三角波载波u 常公用一个三角波载波 c,三相的 调制信号u 调制信号 rU、urV和urW依次相差 120°。 °

三相桥式PWM逆变电路波形 图7-8 三相桥式 逆变电路波形 10

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7.2.1 计算法和调制法

三相桥式PWM型逆变电路 图7-7 三相桥式 型逆变电路

◆电路工作过程(U相为例) 相为例) 电路工作过程( 相为例 上桥臂V 导通，下桥臂V 当urU>uc时，上桥臂 1导通，下桥臂 4 关断， 相相对于直流电源假想中点N’的 关断，则U相相对于直流电源假想中点 的 相相对于直流电源假想中点 输出电压u 。 输出电压 UN’=Ud/2。 导通， 关断， 当urU<uc时，V4导通，V1关断，则 uUN’=-Ud/2。 。 的驱动信号始终是互补的。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。 当给V 加导通信号时， 当给 1(V4)加导通信号时，可能是 1(V4) 加导通信号时 可能是V 导通，也可能是二极管VD 续流导通， 导通，也可能是二极管 1(VD4)续流导通， 续流导通 这要由阻感负载中电流的方向来决定。 这要由阻感负载中电流的方向来决定。 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有 波形都只有 两种电平。 ±Ud/2两种电平。 两种电平

三相桥式PWM逆变电路波形 图7-8

三相桥式 逆变电路波形 11

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7.2.1 计算法和调制法

三相桥式PWM型逆变电路 图7-7 三相桥式 型逆变电路

三种电平构成。 输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成。 输出线电压 波由 三种电平构成 √当臂 √当臂1和6导通时，uUV=Ud。 当臂1和6导通时 导通时， √当臂 和4导通时，uUV=-Ud。 当臂3和 导通时 导通时， 当臂 √当臂 和3或臂 和6导通时，uUV=0。 当臂1和 或臂 或臂4和 导通时 导通时， 当臂 。 负载相电压u 负载相电压 UN可由下式求得

u UN = u UN '

负载相电压的PWM波由 ±2/3)Ud、(±1/3)Ud 波由( 负载相电压的 波由 种电平组成。 和0共5种电平组成。 共 种电平组成三相桥式PWM逆变电路波形 图7-8 三相桥式 逆变电路波形

u UN ' + u VN ' + u WN ' 3

◆为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两 为了防止上下两个臂直通而造成短路， 臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的 死区时间。 死区时间。12

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7.2.1 计算法和调制法

特定谐波消去法的输出PWM波形 图7-9 特定谐波消去法的输出 波形

■特定谐波消去法 计算法中一种较有代表性的方法 中一种较有代表性的方法。 ◆是计算法中一种较有代表性的方法。 如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各k次 考虑到PWM波 ◆如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各 次，考虑到 波 四分之一周期对称，共有k个开关时刻可以控制 个开关时刻可以控制， 四分之一周期对称，共有 个开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基 波幅值外，可以消去 消去k- 个频率的特定谐波 个频率的特定谐波。 波幅值外，可以消去 -1个频率的特定谐波。 以三相桥式PWM型逆变电路中的 UN’波形为例 型逆变电路中的u ◆以三相桥式 型逆变电路中的 在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各3次 不包括0和 时刻 时刻), 在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各 次(不包括 和π时刻), 共有6个开关时刻可以控制 个开关时刻可以控制。 共有 个开关时刻可以控制。13

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7.2.1 计算法和调制法 为了消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称，即 为了消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称，

u (ω t ) = u (ω t + π )

(7-1)

为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应使波形在正半周期内前后1/4 为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应使波形在正半周期内前后 为轴线对称， 周期以π/2为轴线对称，即 为轴线对称

u (ω t ) = u (π ω t )

(7-2)

同时满足式(7-1)和式 和式(7-2)的波形称为四分之一周期对称波形，这种波形可 的波形称为四分之一周期对称波形 同时满足式 和式 的波形称

为四分之一周期对称波形， 用傅里叶级数表示为

u (ω t ) =式中， 式中，an为

n = 1 , 3 , 5 ,

∑a

∞

n

sin n ω t

(7-3)

an =

π∫

4

π

2 0

u(ω t ) sin nω tdω t14

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7.2.1 计算法和调制法

特定谐波消去法的输出PWM波形 图7-9 特定谐波消去法的输出 波形

的波形是四分之一周期对称的， 因为图7-9的波形是四分之一周期对称的，所以在一个周期内的 个开关时 因为图 的波形是四分之一周期对称的 所以在一个周期内的12个开关时 个时刻， 不包括0和 时刻) 刻(不包括 和π时刻)中，能够独立控制的只有α1、α2和α3共3个时刻，该波 个时刻 形的a 形的 n为 α2 U 4 α1 U d an = ∫ sin nω tdω t + ∫ ( d sin nω t )dω t α1 π 0 2 2π Ud Ud 2 +∫ sin nω tdω t + ∫ ( sin nω t )dω t α2 2 α3 2 α3

(7-4)

=

2U d (1 2 cos nα 1 + 2 cos nα 2 2 cos nα 3 ) nπ15

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7.2.1 计算法和调制法在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消 次谐波相互抵消， 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的 次谐波相互抵消，因 此通常可以考虑消去5次和 次谐波，根据需要确定基波分量a 的值， 次和7次谐波 此通常可以考虑消去 次和 次谐波，根据需要确定基波分量 1的值， 再令a 等于0,就可以建立三个方程， 再令 5和a7等于 ，就可以建立三个方程，联立可求得α1、α2和α3。

π 2U d a5 = (1 2 cos 5α1 + 2 cos 5α 2 2 cos 5α 3 ) = 0 5π 2U d a7 = (1 2 cos 7α1 + 2 cos 7α 2 2 cos 7α 3 ) = 0 7π a1 = 2U d (1 2 cosα1 + 2 cosα 2 2 cosα 3 )

(7-5)

这样可以消去两种特定频率的谐波，对于给定的基波幅值 这样可以消去两种特定频率的谐波，对于给定的基波幅值a1,求解 两种特定频率的谐波 基波幅值a 改变时， 上述方程可得一组α1、α2和α3,基波幅值 1改变时，α1、α2和α3也相 应地改变。 应地改变。16