激光設備控制技術教材——第五章第五節(jié)講解

1、正弦半波通過調(diào)制技術產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按第五節(jié)脈沖調(diào)制方法脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中 脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣 泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極

2、的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模 擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的 控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié) 合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓

3、在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有 效的技術。一、PWM基本思想PWM （Pulse Width Modulation）控制就是 脈寬調(diào)制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效獲得所需要的波形（波形含形狀和幅值兩部分）。PWM技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM的重要理論基礎是面積等效原理，所謂的面積等效原理是包括沖量和效果，沖量 相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)時，其效果基本相同。沖量指的是窄脈沖的面積，效 果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。圖5-22為常用

4、形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖，有矩形脈沖、三角形脈沖、正弦半波脈沖和單位脈沖函數(shù)。勿葩趣J踽b）三箭趣沖c:征養(yǎng)豐也踽審草妙沖函蠱正弦規(guī)率變化， 根據(jù)面積等效原理加在具有慣性環(huán)節(jié)的電路的時候，會產(chǎn)生等寬不等幅脈沖,幅度按正弦規(guī)率變化的正弦波。若要改變等效輸出正弦波的幅值，只需要按同一比例改變各脈沖寬度就可以產(chǎn)生不同幅度波形。正弦半波通過調(diào)制技術產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按對于正弦波的負半周，采取同樣的方法得到SPWM波形，因此一個完整周期正弦波等效的SPWM波如下圖5-23所示，該圖表示的是單極性SPWM波。根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為圖 5-24中的S

5、PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。這種波形又叫雙 極性SPWM波。當輸入電源是恒定直流時候講產(chǎn)生的是等幅SPWM波，當輸入電源是交流或不是恒定的直流的時候講產(chǎn)生不等幅SPWM波。正弦半波通過調(diào)制技術產(chǎn)生SPWM波，SPWM波是一系列等幅不等寬系列脈沖,寬度按應用電壓型逆變電路進行 進行PWM控制，得到的就是 波電路可以獲得直流波形，而二、PWM控制方法PWM控制，得到的就是 PWM電壓波。應用電流型逆變電路PWM電流波形。通過 PWM波可等效成各種波形，比如直流斬SPWM波電路可以獲得正弦波形。1.等脈寬PWM法WVF(VariableVoltage Variable Frequen

6、cy )裝置在早期是采 用 PAM(Pulse AmplitudeModulation )控制技術來實現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓等脈寬PWM法正是為了克服 PAM法的這個缺點發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改 變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓， 采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對于 PAM法，該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時也存在輸出電壓中 除基波外，還包含較大的諧波分量。2. 隨機 PWM 法在上世紀 70 年代開始至上世紀 80 年代初，由

7、于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓 三極管，載波頻率一般不超過5kHz, 電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注 .為求得改善， 隨機 PWM 方法應運而生 .其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為 限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的) ，盡管噪音的總分貝數(shù)未變， 但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱. 正因為如此，即使在IGBT 已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機 PWM 仍然有其特殊的價值；另一 方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機 PWM 技術正 是提供了一個分析，解決這種問題的全

8、新思路。3.SPWM 法SPWM(Sinusoidal PWM )法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的 PWM 法。前面提到 的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時， 其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎， 用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波 等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關器件的通斷， 使其輸出的脈沖電壓的面 積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié) 逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案。4. 等面積法該方案實際上就是 SPWM 法原理的直接闡釋，

9、用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序 列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式 生成 PWM 信號控制開關器件的通斷， 以達到預期的目的 . 由于此方法是以 SPWM 控制的基本 原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波， 但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點。5. 硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作 為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形 .通常 采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是

10、 SPWM 波形 .其實現(xiàn)方 法簡單，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 ,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM 波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成6. 軟件生成法SPWM 波形變得比較容易， 因此， 軟件生成法也就應運而生軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。7. 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)

11、 SPWM法。當三角波只在其頂點（或底點）位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（此時為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對稱， 這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣。規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優(yōu)點就是是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。8. 線電壓控制 PWM法前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出

12、相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法。9. 單元脈寬調(diào)制法因為，三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=O 的關系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和.現(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60°對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊 60°區(qū)間用 Uuv本身表示，中間60°區(qū)間用-（Uvw+Uwu ）表示，當將Uvw和Uwu 作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°間的兩種波形形狀，并且有正有負.把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似（實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行），就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且