SPWM和SVPWM控制

1、第第3部分部分 SPWM和和SVPWM控制控制3.1 電壓型電壓型PWM逆變器的基本工作原理逆變器的基本工作原理3.1.1單相電壓型單相電壓型PWM逆變器及其控制方法逆變器及其控制方法圖圖3-3 單極性脈寬調(diào)制輸出電壓和電流波形單極性脈寬調(diào)制輸出電壓和電流波形4.1.2三相電壓型三相電壓型PWM逆變器及其控制方法逆變器及其控制方法 圖圖3-6三相橋式逆變器主電路三相橋式逆變器主電路三相逆變器控制方法三相逆變器控制方法 圖圖3-7 三相逆變器三相逆變器PWM波形波形3.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，簡稱，簡稱PWM）

2、技術(shù)是當(dāng)前電壓型逆變器中主要的波形生成技術(shù)。技術(shù)是當(dāng)前電壓型逆變器中主要的波形生成技術(shù)。對于一般工業(yè)應(yīng)用，以對于一般工業(yè)應(yīng)用，以PWM為核心的逆變器，是由二為核心的逆變器，是由二極管橋式整流恒壓供電，用控制脈沖列的調(diào)制周期和極管橋式整流恒壓供電，用控制脈沖列的調(diào)制周期和脈沖寬度來實現(xiàn)輸出頻率和電壓的調(diào)節(jié)。隨著具有自脈沖寬度來實現(xiàn)輸出頻率和電壓的調(diào)節(jié)。隨著具有自關(guān)斷能力半導(dǎo)體功率開關(guān)器件、微型計算機(jī)和微電子關(guān)斷能力半導(dǎo)體功率開關(guān)器件、微型計算機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得技術(shù)的迅速發(fā)展，使得PWM逆變器的開關(guān)頻率不斷提逆變器的開關(guān)頻率不斷提高，輸出電流波形更接近正弦波或使電動機(jī)磁場更接高，輸出電

3、流波形更接近正弦波或使電動機(jī)磁場更接近圓形。目前近圓形。目前PWM技術(shù)已成為交流調(diào)速系統(tǒng)、交流伺技術(shù)已成為交流調(diào)速系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、高頻逆變電源系統(tǒng)的主流控制技術(shù)。服系統(tǒng)、高頻逆變電源系統(tǒng)的主流控制技術(shù)。1、SPWM調(diào)制法調(diào)制法2、加入、加入3次諧波的次諧波的HIPWM調(diào)制法調(diào)制法3、規(guī)則采用法、規(guī)則采用法4、諧波消除法、諧波消除法5、電流滯環(huán)跟蹤法、電流滯環(huán)跟蹤法6、電壓空間矢量法、電壓空間矢量法方式方式3.2.1 SPWM調(diào)制法調(diào)制法1. SPWM波形生成分析波形生成分析為了對為了對SPWM法進(jìn)行定量分析，將法進(jìn)行定量分析，將SPWM生成波形進(jìn)行局部放大示。生成波形進(jìn)行局部放大示。圖圖3

4、-8 SPWM局部波形局部波形 1. SPWM波形生成分析波形生成分析200104sin() ()2sin()ndnnnaUbn t dtubn t01(cossin)nnnuan tbn t (3-10) 已知三角函數(shù)積分為：已知三角函數(shù)積分為：1110211sin() ()(1 cos)21sin() ()cos21sin() ()(coscos)2kkkddkdkkUn t dtnnUn t dtnnUn t dtnnn(3-11) 將式（將式（3-10）中的）中的nb展開，并將式（展開，并將式（3-11）代入，則得）代入，則得123121021214sin() ()sin() ()si

5、n() ()222.sin() ()sin() ()22212( coscos.cos)212( 1) coskkkdddnddddkkidiiUUUbn t dtn t dtn t dtUUn t dtn t dtUnnnnUnn(3-12) 三相逆變器輸出電壓表達(dá)式為：三相逆變器輸出電壓表達(dá)式為：0112121 cossinkidiniUunan tn(3-13) 112121 coskidMiiUUa2. SPWM調(diào)制法的控制實現(xiàn)調(diào)制法的控制實現(xiàn)自然采樣法自然采樣法 ：通過計算正弦調(diào)制波與三角載波的交點，求出相應(yīng)的脈：通過計算正弦調(diào)制波與三角載波的交點，求出相應(yīng)的脈寬和脈沖間歇的時間，來

6、生成寬和脈沖間歇的時間，來生成SPWM波形。波形。 圖圖3-9 SPWM自然采樣法自然采樣法4444SonSoffSonSoffTtaTtaTtbTtb，由圖可知由圖可知 (3-15) 由式（由式（3-5）和（）和（3-6）相似三角形可得）相似三角形可得 12sin4sin4rmScmrmScmVtaTVVtbTV(3-16) 將上式整理后得將上式整理后得12sin4sin4SSTaMtTbMt(3-17) 3.2.2 加入加入3次諧波的次諧波的HIPWM調(diào)制法調(diào)制法為了解決為了解決SPWM過調(diào)制問題，在正弦參考波中加入過調(diào)制問題，在正弦參考波中加入3的整倍數(shù)次諧波，形的整倍數(shù)次諧波，形成波頂

7、較平坦的參考信號，使調(diào)制系數(shù)成波頂較平坦的參考信號，使調(diào)制系數(shù)M可大于可大于1。由于逆變器輸出基波電壓的大小和相位是由參考信號決定的，而三相逆由于逆變器輸出基波電壓的大小和相位是由參考信號決定的，而三相逆變器為三線輸出沒有零線，在線路上不會出現(xiàn)變器為三線輸出沒有零線，在線路上不會出現(xiàn)3的整倍數(shù)次諧波電壓和電的整倍數(shù)次諧波電壓和電流，所以正弦形參考信號加入流，所以正弦形參考信號加入3次諧波后，對輸出基波電壓不會有不利影次諧波后，對輸出基波電壓不會有不利影響。響。只要合成參考信號最大值不超過載波峰值就不會進(jìn)入非線性控制區(qū)，從只要合成參考信號最大值不超過載波峰值就不會進(jìn)入非線性控制區(qū)，從而可拓寬線性

8、控制范圍，提高了直流側(cè)電壓利用率。而可拓寬線性控制范圍，提高了直流側(cè)電壓利用率。HIPWM特點特點圖圖3-10 正弦參考信號加入正弦參考信號加入3次諧波的脈寬調(diào)制波形次諧波的脈寬調(diào)制波形 3.2.3 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法：是針對規(guī)則采樣法：是針對SPWM調(diào)制實現(xiàn)時，自然采樣法在線調(diào)制實現(xiàn)時，自然采樣法在線計算開關(guān)點計算開關(guān)點 困難而提出的。困難而提出的。分類：分類：1、對稱規(guī)則采樣法；、對稱規(guī)則采樣法； 2、不對稱規(guī)則采樣法。、不對稱規(guī)則采樣法。1. 高點對稱規(guī)則采樣法高點對稱規(guī)則采樣法圖圖3-11 高點對稱規(guī)則采樣法高點對稱規(guī)則采樣法 2. 低點對稱規(guī)則采樣法低點對稱規(guī)則采樣法4=

9、4SonSoffTtaTta(3-27) 由上圖可知：由上圖可知： 由式（由式（3-5）和（）和（3-6）相似三角形可得）相似三角形可得1sin4rmScmVtaTV (3-28) 將式將式(3-28)(3-28)中的中的a代入式代入式(3-27)(3-27)中，得到中，得到11(1sin)4=(1sin)4SonSoffTtMtTtMt (3-29) 1(1sin)2tpTtMt脈沖寬度為脈沖寬度為 (3-30)由于由于A和和B兩點兩點位于正弦參考位于正弦參考波的兩側(cè)，減波的兩側(cè)，減小了脈寬生成小了脈寬生成時間的誤差。時間的誤差。對比圖對比圖3-11，不難看出低點不難看出低點對稱規(guī)則采樣對稱

10、規(guī)則采樣法得到的法得到的SPWM波形更波形更加準(zhǔn)確加準(zhǔn)確3. 高低點不對稱規(guī)則采樣法高低點不對稱規(guī)則采樣法不對稱規(guī)則采樣法相對于對稱規(guī)則采不對稱規(guī)則采樣法相對于對稱規(guī)則采 樣法而言，是一種倍樣法而言，是一種倍頻調(diào)制。它在一個三角波周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，由采樣值頻調(diào)制。它在一個三角波周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，由采樣值形成階梯波，則此階梯波與三角波的交點確定脈寬。由于形成階梯波，則此階梯波與三角波的交點確定脈寬。由于在一個三角波周期內(nèi)的位置不對稱，因此，該采樣方法稱在一個三角波周期內(nèi)的位置不對稱，因此，該采樣方法稱為不對稱規(guī)則采樣法。高低點不對稱規(guī)則采樣法是既在三為不對稱規(guī)則采樣法。高低點不對稱規(guī)則采樣法

11、是既在三角波的頂點位置對正弦波進(jìn)行采樣，又在三角波的底點位角波的頂點位置對正弦波進(jìn)行采樣，又在三角波的底點位置對正弦波進(jìn)行采樣，如圖置對正弦波進(jìn)行采樣，如圖3-13所示。所示。圖圖3-13 高低點不對稱規(guī)則采樣法高低點不對稱規(guī)則采樣法4. 零點不對稱規(guī)則采樣法零點不對稱規(guī)則采樣法圖圖3-14中間點不對稱規(guī)則采樣法中間點不對稱規(guī)則采樣法圖圖3-15 基于倍頻采樣的第基于倍頻采樣的第K周期的電流波形周期的電流波形3.2.4諧波消除法諧波消除法3.2.5電流滯環(huán)跟蹤法電流滯環(huán)跟蹤法圖圖3-18 電流滯環(huán)跟蹤電流滯環(huán)跟蹤PWM原理框圖原理框圖圖圖3-19電流跟蹤控制形成電流跟蹤控制形成PWM的波形的波

12、形3.2.6電壓空間矢量法電壓空間矢量法1電壓空間矢量定義電壓空間矢量定義2開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量圖圖3-6三相橋式逆變器主電路三相橋式逆變器主電路 2開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的空間矢量圖圖3-20 兩電平逆變器空間矢量圖兩電平逆變器空間矢量圖 開關(guān)狀態(tài)與電壓空間矢量對應(yīng)關(guān)系開關(guān)狀態(tài)與電壓空間矢量對應(yīng)關(guān)系3矢量作用時間計算矢量作用時間計算refu4. SVPWM法的調(diào)制系數(shù)法的調(diào)制系數(shù)圖圖3-22 3-22 refu位于第位于第扇區(qū)時的七段法開關(guān)模式扇區(qū)時的七段法開關(guān)模式表表3-3 基于最少開關(guān)動作原則的開關(guān)模式基于最少開關(guān)動作原則的開關(guān)模式圖圖3-23不滿足不

13、滿足“最少開關(guān)動作最少開關(guān)動作”原則的開關(guān)模式原則的開關(guān)模式3.3電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖3-25 PWM逆變器控制系統(tǒng)硬件電路逆變器控制系統(tǒng)硬件電路3.3.1 PWM變頻器控制系統(tǒng)硬件電路變頻器控制系統(tǒng)硬件電路主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)中央控制單元中央控制單元檢測電路檢測電路霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器檢測方法可以檢測霍爾傳感器檢測方法可以檢測PWM波形、直流和任意交流的信號，不但波形、直流和任意交流的信號，不但能夠?qū)⒅麟娐泛涂刂齐娐愤M(jìn)行隔離，而且不存在電位匹配和阻抗匹配問題，能夠?qū)⒅麟娐泛涂刂齐娐愤M(jìn)行隔離，而且不存在電位匹配和阻抗匹配問題，非常適合非常適合PWM逆變器的輸出電壓

14、、輸出電流、直流側(cè)電壓的測量。逆變器的輸出電壓、輸出電流、直流側(cè)電壓的測量。電流霍爾傳感器的工作原理如圖電流霍爾傳感器的工作原理如圖3-26所示。所示。當(dāng)輸入當(dāng)輸入PWM信號為高電平時。光電耦合器信號為高電平時。光電耦合器VTl及晶體管及晶體管VT2、VT3和和VT5導(dǎo)通，導(dǎo)通，驅(qū)動驅(qū)動IGBT導(dǎo)通；當(dāng)輸入導(dǎo)通；當(dāng)輸入PWM信號為低電平時，信號為低電平時，VT4、VT6導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使IGBT快速快速關(guān)斷。關(guān)斷。圖圖3-27 功率開關(guān)管功率開關(guān)管IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路開關(guān)電源開關(guān)電源開關(guān)電源電路是一種隔離電源，輸入為主電路線電壓開關(guān)電源電路是一種隔離電源，輸入為主電路線電壓輸入，輸出為輸入，

15、輸出為+5V、+15V、-15V和地，為中央控制單和地，為中央控制單元、檢測電路和驅(qū)動電路提供電源。應(yīng)該注意的是，元、檢測電路和驅(qū)動電路提供電源。應(yīng)該注意的是，為驅(qū)動電路提供的電源必須是電位浮動的獨立電源。為驅(qū)動電路提供的電源必須是電位浮動的獨立電源。3.3.2 SPWM逆變器控制系統(tǒng)逆變器控制系統(tǒng)1. 控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)構(gòu)成圖圖3-28 SPWM逆變器控制系統(tǒng)原理框圖逆變器控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)采用如圖控制系統(tǒng)采用如圖3-29所示的所示的SPWM調(diào)制方式。在低頻輸出區(qū)，采用載波頻率調(diào)制方式。在低頻輸出區(qū)，采用載波頻率cf恒定的異步調(diào)制方式，而在較高輸出頻率范圍內(nèi)采用分級同步調(diào)制方式。恒定

16、的異步調(diào)制方式，而在較高輸出頻率范圍內(nèi)采用分級同步調(diào)制方式。圖圖3-29 控制系統(tǒng)異步和分級同步調(diào)制方式控制系統(tǒng)異步和分級同步調(diào)制方式 SPWM控制系統(tǒng)中，三相正弦參考信號發(fā)生器是重要的單元。在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，三相正弦參考信號發(fā)生器是重要的單元。在微型計算機(jī)中，為了實現(xiàn)正弦波發(fā)生器，一般將正弦表數(shù)據(jù)存貯在中，為了實現(xiàn)正弦波發(fā)生器，一般將正弦表數(shù)據(jù)存貯在ROM中，然后通過查中，然后通過查表的方法生成正弦波，如圖表的方法生成正弦波，如圖3-30所示。所示。 圖圖3-30三相正弦波發(fā)生器框圖三相正弦波發(fā)生器框圖 序號序號角度角度正弦值正弦值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成Q15定標(biāo)值定標(biāo)值000011.4060.

17、024580322.8120.0491160934.2180.0736241245.6240.0980321157.030.1224401168.4360.1467480779.84202480.19516393912.6540.219171791014.060.242979591115.4660.266787391216.8720.290295091318.2780.3136102761419.6840.3368110361521.090.359811790鎖相環(huán)倍頻發(fā)生器框圖如圖鎖相環(huán)倍頻發(fā)生器框圖如圖3-31所示。實質(zhì)上它是一個數(shù)字反饋系統(tǒng)，環(huán)路濾波所示。實質(zhì)上它是一個數(shù)字反饋系統(tǒng)，環(huán)路濾波器的輸入端產(chǎn)生一個與相位差值成正比的模擬誤差信號，放大的誤差信號驅(qū)動一器的輸入端產(chǎn)生一個與相位差值成正比的模擬誤差信號，放大的誤差信號驅(qū)動一個壓控振蕩器，以產(chǎn)生一個期望的輸出頻率。個壓控振蕩器，以產(chǎn)生一個期望的輸出頻率。圖圖3-31倍頻發(fā)生器框圖倍頻發(fā)生器框圖1. 控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)構(gòu)成 圖圖3-32 SVPWM逆變器控制系統(tǒng)原理框圖逆變器控制系統(tǒng)原理框圖 絕對值運算器輸出一路經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器，用來實現(xiàn)在絕對值運算器輸出一路經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器，用來實現(xiàn)在整個調(diào)頻范圍內(nèi)進(jìn)行輸出電壓和