正弦脈寬調(diào)制SPWM及其控制方法ppt課件

1、2.4 正弦脈寬調(diào)制正弦脈寬調(diào)制SPWM及其控制方法及其控制方法v2.4.1 PWM控制的根本原理v2.4.2 SPWM的控制實(shí)現(xiàn)方法 2.4.1 PWM控制的根本原理vPWM (Pulse Width Modulation)控制就是控制就是 脈寬調(diào)制技術(shù)：即經(jīng)過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度脈寬調(diào)制技術(shù)：即經(jīng)過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)展調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需求的波形含進(jìn)展調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需求的波形含外形和幅值外形和幅值)。2.4.1 PWM控制的根本原理vPWM控制的思想源于通訊技術(shù)，全控型器件的開(kāi)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得非常容易。vPWM技術(shù)的運(yùn)用非常廣泛，它使電力電子安裝的性能大大提高，因此它在電力

2、電子技術(shù)的開(kāi)展史上占有非常重要的位置。vPWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的勝利運(yùn)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要位置。如今運(yùn)用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)，因此，本章能使我們對(duì)逆變電路有完好地認(rèn)識(shí)。2.4.1 PWM控制的根本原理重要實(shí)際根底面積等效原理沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果根本一樣。環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果根本一樣。沖量沖量窄脈沖的面積效果根本一樣效果根本一樣環(huán)節(jié)的輸出呼應(yīng)波形根本一樣圖2-15 外形不同而沖量一樣的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtO

3、tOf (t)f (t)f (t)2.4.1 PWM控制的根本原理b)圖6-2 沖量相等的各種窄脈沖的呼應(yīng)波形詳細(xì)的實(shí)例闡明“面積等效原理au (t)電壓窄脈沖，電壓窄脈沖，是電路的輸入是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是輸出電流，是電路的呼應(yīng)。電路的呼應(yīng)。 OutSPWM波2.4.1 PWM控制的根本原理Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)替代一個(gè)正弦半波Out2.4.1 PWM控制的根本原理Ou t假設(shè)要改動(dòng)等效輸出正弦波幅值，按同一比例改動(dòng)各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)替代一個(gè)正弦半波Out2.4.1 PWM控制的根本原理OwtUd-Ud 對(duì)于正

4、弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完好周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為以下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)踐運(yùn)用中更為廣泛。2.4.2 SPWM控制的實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法計(jì)算法公用SPWM集成電路自然采樣法規(guī)那么采樣法直接PWM法模擬實(shí)現(xiàn)1. SPWM模擬實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào) 、 、 由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生,其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號(hào) 由三角波發(fā)生器提供，三相共用。分別與每相調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器進(jìn)展比較，比較器輸出“正或“零的輸出，即為SPWM脈沖序列波，作為逆變器開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 caucbuccu

5、triu正弦波發(fā)生器三角波發(fā)生器cauccucbutriu驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件(SPWM波)2. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形特點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化1). 自然采樣法自然采樣法：按自然采樣法：按SPWM根本原理，在正弦波和三角波的自然根本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)辰控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。交點(diǎn)時(shí)辰控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。該法最準(zhǔn)確，但要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中該法最準(zhǔn)確，但要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)

6、算，工程運(yùn)用不多在線計(jì)算，工程運(yùn)用不多2. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)v2). 規(guī)那么采樣法特點(diǎn)：特點(diǎn)： 工程適用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多工程適用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多圖2-19 規(guī)那么采樣法 utriuOtucTcAEBt2t1t3t2/ 2t2/ 2tutriuOtucTcADBt2t1t3t2/ 2t2/ 2tuceucd2. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)規(guī)那么采樣法原理規(guī)那么采樣法原理圖圖2-19，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)即自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角

7、波一周期的中點(diǎn)即負(fù)峰點(diǎn)重合負(fù)峰點(diǎn)重合規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的規(guī)那么采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化三角波中點(diǎn)為對(duì)稱，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化在三角波的負(fù)峰時(shí)辰對(duì)正弦信號(hào)波采樣得在三角波的負(fù)峰時(shí)辰對(duì)正弦信號(hào)波采樣得E點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)，過(guò)E作程作程度直線和三角波分別交于度直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)辰點(diǎn)時(shí)辰tA和和B點(diǎn)點(diǎn)時(shí)辰時(shí)辰tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷控制開(kāi)關(guān)器件的通斷脈沖寬度脈沖寬度t2 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 2. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)規(guī)那么采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)規(guī)那么采樣法

8、計(jì)算公式推導(dǎo) 正弦調(diào)制信號(hào)波正弦調(diào)制信號(hào)波 式中，式中，ma稱為調(diào)制度，稱為調(diào)制度，0ma1；wc為信號(hào)波角為信號(hào)波角頻率。從圖中得頻率。從圖中得 因此可得因此可得 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度csinacumtwE2c1sin2/ 2/ 2acmttTwc2E(1sin)2acTtmtwc13c2E1(1sin)24acTttTtmtw三角波的峰值為12. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)推行到三相橋逆變電路的情況推行到三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為

9、同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為 、 和和 ，脈沖兩邊的間隙，脈沖兩邊的間隙寬度分別為寬度分別為 、 和和 ， 、 和和 ，同一時(shí)辰三相調(diào)制波電，同一時(shí)辰三相調(diào)制波電壓之和為零，由上式得壓之和為零，由上式得 其中其中:2at2bt2ct1at1bt1ct3at3bt3ctc2e13c2c2e13c2c22213c21(1sin),22211sin(),23231,22aacaaabacbbbcabcccTtmtttTtTtmtttTtTtttttTtww22232cabcTttt11133334cabcabcTtttttt2. 計(jì)算法計(jì)算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)v3). 直接PWM法(面積相等法

10、)v 思緒:使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖的面積和在同一載波周期內(nèi)希望得到的正弦波的面積相等。v 假設(shè)希望輸出的正弦電壓為：v 那么從 到 區(qū)間正弦波的面積為：v 假設(shè)逆變器直流環(huán)節(jié)電壓為Ud， 到 區(qū)間的脈沖寬為 ，v令脈沖面積和這段正弦波面積相等?？汕蟪觯簊inomcuUtwsin()(coscos)batmmcccacbtcUUtdtttwwwwwatbtatbt2t2(coscos)mdcacbcUtUttwww2(coscos)mcacbcdUtttUwww3. 公用公用SPWM集成電路集成電路v運(yùn)用微機(jī)產(chǎn)生SPWM波形，其效果遭到微機(jī)字長(zhǎng)、指令功能、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量等條件的限制，

11、有時(shí)難以有很好的實(shí)時(shí)性，特別是在高頻電力電子器件被廣泛運(yùn)用后，完全依托軟件生成SPWM波形的方法實(shí)踐上很難順應(yīng)高開(kāi)關(guān)頻率的要求。v隨著微電子技術(shù)的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)出一些專門用來(lái)產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)的集成電路芯片，運(yùn)用這些芯片比用微機(jī)生成SPWM信號(hào)要方便的多。目前已投入市場(chǎng)的公用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我國(guó)自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752與HEF4752的功能完全兼容。另外，如今有些單片機(jī)本身就具有直接輸出SPWM信號(hào)的功能，如8XC196MC、TMS320F24

12、0等。vHEF4752是數(shù)字化的大規(guī)模集成電路。采用規(guī)范的28腳雙列直插封裝。v芯片可提供三組互差120互補(bǔ)輸出SPWM控制脈沖，以供驅(qū)動(dòng)逆變器六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生對(duì)稱的三相輸出。v可適用于晶閘管、GTO或功率GTR。對(duì)晶閘管尚可附加產(chǎn)生三對(duì)互補(bǔ)換流脈沖，用于輔助晶閘管換流。v該芯片采用脈沖寬度的雙邊緣正弦調(diào)制方式，有8段載波比15、21、30、42、60、84、120、168自動(dòng)切換。v調(diào)頻范圍為0200Hz，器件的開(kāi)關(guān)頻率普通在1kHz以下，不適宜于IGBT逆變器。vSLE4520是一種可編程的三相PWM集成電路。三相PWM信號(hào)構(gòu)成器實(shí)踐上就是三個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器。vSLE4520有三個(gè)預(yù)置

13、減計(jì)數(shù)器經(jīng)過(guò)8位數(shù)據(jù)總線接納來(lái)自微機(jī)的地址和脈寬數(shù)據(jù)，將8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)寬度的矩形脈沖，脈寬由減計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)值決議。v六個(gè)輸出產(chǎn)生三相SPWM矩形脈沖，互差120，以控制逆變器中的六個(gè)主開(kāi)關(guān)器件。v器件的開(kāi)關(guān)頻率和輸出頻率分別可達(dá)20kHz和2.6kHz，適用于IGBT變頻器。v芯片內(nèi)有一個(gè)四位死區(qū)鎖存器，可設(shè)置逆變橋同相上下兩開(kāi)關(guān)器件轉(zhuǎn)換的死區(qū)時(shí)間，以防直通事故。v還設(shè)有“制止信號(hào)端，當(dāng)其為高電平常，將使功率開(kāi)關(guān)器件處于關(guān)斷形狀，可以方便的實(shí)現(xiàn)各種維護(hù)。vMA818也是一種可編程的三相SPWM大規(guī)模集成電路，采用雙列直插或方形塑封40引腳封裝，同一系列的芯片還有MA828和MA838。vM

14、A818具有六個(gè)規(guī)范TTL電平輸出，可方便的用來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器中六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件。v其任務(wù)參數(shù)，如載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制深度、過(guò)調(diào)制選擇、最小脈沖寬度、延遲時(shí)間、相序等可由微機(jī)經(jīng)過(guò)向其寫(xiě)入控制字而方便確實(shí)定或修正，不需外加任何電路。vMA818采用SPWM的規(guī)那么采樣法產(chǎn)生實(shí)踐的SPWM輸出脈沖。用于與三角載波比較的調(diào)制波形由MA818從外部2k8的PROM/EPROM中直接讀取。vMA818的三角載波頻率可選，最高可達(dá)24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達(dá)4kHz。MITEL公司消費(fèi)的SA系列SPWM發(fā)生器 SA869無(wú)需處置器，一切參數(shù)由工廠掩膜編程4位數(shù)字輸入可確定16檔頻率速度16位電源頻率精

15、度只能輸出純粹弦波一種波形適用于低本錢、大批量的運(yùn)用單相SPWM輸出SA828與微處置器銜接，處置整個(gè)SPWM過(guò)程低本錢、高職能、產(chǎn)生三相SPWM波CMOS集成電路，波形產(chǎn)生數(shù)字化輸出波形為正弦波或正弦波疊加三次諧波載波頻率可達(dá)24KHz電源頻率精度16位SA866/SA867適用于低、中、大容量任務(wù)中無(wú)需微處置器，SA866YE/ 867YE參數(shù)儲(chǔ)存在單獨(dú)EEPROM中，而SA866YM/ 867YM那么由工廠掩膜編程SA866輸出純粹弦波、三次諧波或帶死區(qū)的三次諧波經(jīng)過(guò)10位的ADC輸入模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)延續(xù)調(diào)頻或經(jīng)過(guò)4位的數(shù)字輸入確定12位的速度頻率公用任務(wù)方式適用于靜止逆變器經(jīng)過(guò)EEPRO

16、M可設(shè)置4項(xiàng)功能SA866三相輸出，SA867單相輸出SA868 載波頻率124KHz輸出正弦頻率范圍04KHz輸出三相純粹弦波、三次諧波或帶死區(qū)的三次諧波4位的總線確定16檔速度頻率無(wú)需外接處置器，一切參數(shù)由工廠掩膜編程16位電源頻率精度適用于低本錢、大容量的運(yùn)用三相SPWM輸出SA838并聯(lián)微處置器接口，波形產(chǎn)生數(shù)字化載波頻率可達(dá)24KHz電源頻率精度12位單相波形產(chǎn)生器，可輸出正弦波或正弦波疊加諧波CMOS集成電路，功耗低單相SPWM輸出SA4828與微處置器銜接SA828晉級(jí)，有高級(jí)界面內(nèi)部可編程“看門狗具有正弦型、加強(qiáng)型、高效型三種波形載波頻率可達(dá)24KHz電源頻率精度16位三相幅值

17、獨(dú)立控制也可運(yùn)用于兩相中圖6-6urucuOwtOwtuouofuoUd- Ud圖圖2-18 自然和規(guī)那么采樣法自然和規(guī)那么采樣法 21(sinsin)22cac Ac BTmtttww自然采樣法:c2e132e(1sin)21()(1sin)24acccacTtmtTttTtmtww規(guī)那么采樣法:utriuOtTcABt2t1t3t2t2tsincacumtw1wtOua )b )圖 6 - 3OuwtdUbtat2t圖：直接PWM法特點(diǎn)：計(jì)算方法簡(jiǎn)單，物理概念清楚。 諧波比規(guī)那么采樣法好。mUvSPWM原理:正弦PWM的信號(hào)波為正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖

18、寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形產(chǎn)生的方法有很多種，但較典型的主要有:對(duì)稱規(guī)那么采樣法、不對(duì)稱規(guī)那么采樣法和平均對(duì)稱規(guī)那么采樣法三種。第一種方法由于生成的PWM脈寬偏小，所以變頻器的輸出電壓達(dá)不到直流側(cè)電壓的倍;第二種方法在一個(gè)載波周期里要采樣兩次正弦波，顯然輸出電壓高于前者，但對(duì)于微處置器來(lái)說(shuō)，添加了數(shù)據(jù)處置量當(dāng)載波頻率較高時(shí)，對(duì)微機(jī)的要求較高;第三種方法運(yùn)用最為廣泛的，它兼顧了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。 SPWM雖然可以得到三相正弦電壓，但直流側(cè)的電壓利用率較低， 最大是直流側(cè)電壓的倍，這是此方法的最大的缺陷。 vSVPWM原理:電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發(fā)點(diǎn)與SPWM不同，SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā)，其著眼點(diǎn)是如何生成一個(gè)可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對(duì)稱正弦電源。而SVPWM是將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，用八個(gè)根本電壓矢量合成期望的電壓矢量，建立逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)形狀