PWM技術培訓

謝美娟1精選2021版課件PWM控制原理理論基礎沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異等幅和不等幅PWM波由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路和本節的PWM逆變電路。輸入電源是交流，得到不等幅PWM基于面積等效原則，其本質是相同的。2精選2021版課件舉例說明用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N

等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規律變化由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可理論上，這一系列脈沖寬度可以嚴格計算出來，但較為實用的是調制方法。3精選2021版課件PWM調制基本概念基本概念PWM調制

脈寬調制是利用相當于基波分量的信號波對三角波進行調制，達到輸出脈沖寬度的一種方法。相當于基波分量的信號波并不一定正弦波，在PWM優化模式控制下可以是預畸變的信號波。載波比

在一個調制信號周期內所包含的三角載波的個數稱為載波頻率比。調制度m

調制波參考信號峰值與三角載波峰值之比。直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud值之比。4精選2021版課件PWM調制的制約條件開關頻率逆變器各功率器件的開關損耗限制了脈寬調制逆變器的每秒脈沖數（即逆變器每個開關的每秒動作次數）。調制度

為保證主電路開關器件的安全工作，必須使所調制的脈沖波有最小脈寬和最小間隙的限制，以保證脈沖寬度大于開關器件的導通時間與關斷時間，這就要求參考信號的幅值不能超過三角載波峰值的某一百分數。

5精選2021版課件PWM調制分類根據調制脈沖的極性可分為：單極性和雙極性調制根據載波信號和基波信號的頻率之間的關系，可分為同步調制和異步調制根據基波信號的不同，可以分為矩形波脈寬調值和正弦波脈寬調制。6精選2021版課件單極性調制和雙極性調制單極性調制在調制波的半個周期內三角載波只在一個方向變化，所得到輸出電壓的PWM波形也在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。雙極性調制在調制波的半個周期內三角載波正負方向變化，所得到輸出電壓的PWM波形也在正負方向變化的控制方式稱為雙極性PWM控制方式。7精選2021版課件同步調制和異步調制

根據載波比的變化與否可以分為同步調制和異步調制同步調制定義在改變信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波頻率與信號頻率的比值保持不變。調制特點優點在開關頻率較低時可以保證輸出波形的對稱性。缺點（1）在信號頻率較低時，載波的頻率顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量增大（2）載波的邊頻帶（載波與基波的差頻）靠近信號波，容易干擾基波頻域。（3）載波周期隨信號波周期變化，不易于用單片機類數字化實現8精選2021版課件異步調制定義在調制信號周期變化的同時，載波周期保持不變。調制特點優點：（1）由于是異步，低頻輸出時，在一個信號周期內，載波個數成數量級增多，這對抑制諧波電流，減輕電動機的諧波損耗及轉矩脈動大有好處。（2）低頻時，載波頻率比很大，載波的邊頻帶遠離信號波頻率，因此不存在載波邊頻帶與基波之間的相互干擾問題。（3）載波頻率固定，便于微處理機進行數字化處理。缺點：載波頻率較低，將會出現輸出電流波形正負半周不對稱，相位漂移及偶次諧波等問題。不過，在IGBT等高速功率開關器件，載波頻率可以做得很高，這缺點可以小到可以完全忽略。分段同步調制在一定的頻率范圍之內，采用同步調制，保持輸出波形對稱的優點。當頻率降低較多時，使載波比分段有級的增加，又采納了異步調制的長處。9精選2021版課件數字脈寬調制（PWM）方法實現方法三角載波是為了形象說明調制原理而借用或用模擬電路產生PWM時必須采用的波形，在用數字化實現時，三角載波實際上是不存在的，完全由軟件來代替了，這樣既可以減少硬件投資又可以提高系統可靠性。不同調制波生成的PWM脈寬對于變頻效果，比如輸出基波電壓幅值，基波轉矩，脈動轉矩，諧波電流損耗，功率半導體開關器件的開關損耗等的影響差異很大。

10精選2021版課件SPWM軟件生成方法自然采樣法定義

按照正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙時間的采樣，從而生成SPWM波形。特點在自然采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角載波中點重合雖然真實地反映了脈沖產生與結束的時刻，但由于實時計算困難，計算量大，難以用于實時控制中。規則采樣法定義每個脈沖的中點都以相應的三角載波的中點為對稱，使調制計算量大為簡化。

(a)自然采樣法11精選2021版課件對稱規則采樣

生成的脈寬比實際的正弦波與載波所生成的脈寬要小，輸出電壓也會相應的偏低。不對稱規則采樣一個載波周期電采樣兩次正弦波數值，該采樣值更真實地反映了實際的正弦波數值，顯然其輸出電壓高于前者，但是載波頻率較高時，單片機運算速度存在難題。平均對稱規則采樣采樣時刻設在三角載波的谷點處。以此刻的正弦波數值為中心．引一水平線與兩側的三角載波相交，確定PWM脈沖的前后沿，雖然此時后沿仍較窄，但前沿卻較寬，平均起來考慮，與正弦波二角波直接比較已基本相當。(b)對稱規則采樣(c)不對稱規則采樣(d)平均對稱規則采樣12精選2021版課件SVPWM技術SVPWM技術特點：(1)SVPWM(空間矢量PWM)調制方法是將逆變器和電機視為一個整體，著眼于使電機獲得幅值恒定的旋轉磁場，把電機和控制器作為一個整體來考慮。(2)SVPWM使得電機脈動降低，電流波形畸變率小，而且與常規SPWM相比，直流電壓利用率有很大提高，并且易于數字化實現。空間矢量的概念一個在空間按正弦分布,有一定旋轉速度的物理量都可以定義為空間矢量。三相定子繞組通以對稱的三相電流：電機物理模型三相合成磁勢：根據空間矢量概念，得出三相繞組的合成磁勢是一個以幅值角速度旋轉的空間矢量。13精選2021版課件取合成矢量的倍，定義磁勢矢量：由于磁勢的大小和電流成正比，所以電流矢量定義為：同理，定義三相電機的磁鏈矢量以及電壓矢量為：忽略定子電阻，磁鏈可以通過定子電壓的積分得到：為獲得電機的圓形旋轉磁場，只需要控制三相定子電壓的合成矢量為圓形旋轉矢量即可。14精選2021版課件調制原理對于三相電壓型逆變器而言，電機的相電壓依賴于它所對應的逆變器橋臂上下功率開關的狀態。當逆變器采用雙極性調制時，上下橋臂的功率器件是互鎖的。三相橋式電壓型逆變器有8種工作狀態。電壓矢量定義：得到六個有效矢量和兩個零矢量用矢量表示這8種空間狀態，如圖所示：如果三相電壓為：則矢量就是以角頻率為按逆時針方向旋轉的空間矢量，反過來一個這樣的空間矢量在三相軸上的投影就是對稱的三相正弦量。最大電壓空間矢量軌跡15精選2021版課件依據平行四邊形法則，可以利用這八個基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量。如果勻速發出一個圓周里均勻分布的等效合成矢量，也就得到了三相正弦量。一個周期里發出的合成矢量越多，說明采樣頻率越高。以扇區I為例,依據平行四邊形法則：

得到：當不足時，插入零失量補足，一般：16精選2021版課件空間電壓矢量在線形區調制時的約束條件是：此約束條件決定了采用支流電壓為，采用SVPWM調制的逆變器提供的最大電壓：

逆變器輸出相電壓的極限峰值是SVPWM直流電壓利用率與SPWM比較：傳統SPWM最大相電壓峰值是，因此在同等直流電壓下，SVPWM的輸出最大電壓較常規SPWM高約，即SVPWM的調制度m可以達到。17精選2021版課件確定參考矢量所在扇區:相鄰兩矢量作用時間的確定:確定比較器的切換點:定義開關切換時間表:一般調制方法18精選2021版課件簡化算法HISPWM（諧波注入法）思想利用三相系統中線電壓具有自動消除相電壓3K次諧波的能力，人為地在三相調制基準正弦撥中摻入一定的3K次諧波，從而實現降低調制波峰值，避免過調制的目的。HISPWM,SPWM和SVPWM聯系

在常規SPWM線性調制時，調制比m是不會大于1的。前面的分析表明，SVPWM的調制度可達到1.1547,且仍能保持線性調制，這與諧波注入法SPWM的線性調制范圍一樣，于是，可以推測SVPWM是加入了某種零序分量的調制方法。19精選2021版課件以扇區I為例:設三角波頻率足夠高,一個載波周期內調制波的值為常數,以三角波波谷時刻作采樣點,由相似三角形得:由以上兩式可以得到三相調制波:在扇區I里,一個周期內零序分量的表達式為:

由此可見電壓空間矢量調制SVPWM、對稱規則采樣SPWM、諧波注入法SPWM之間的內在聯系，可以認為空間矢量調制和在正弦調制波里加入零序分量Uz的規則采樣SPWM調制是等效的。加零序分量前的三相正弦調制波加零序分量后的三相調制波（1）（2）（3）20精選2021版課件ISGSVPWM采用(d)21精選2021版課件ISGMCU軟件實現第一步：如圖所示:

通過電流調節器輸出直軸和交軸參考電壓，通過Parke和Clarke逆變換得到三相電壓，根據式（2）取k=0.5得到三相調制波信號第二步：根據式（1）配置DSP比較寄存器，產生SVPWM

22精選2021版課件死區補償死區存在的必要性采用SVPWM的電壓源逆變器中，同一橋臂的上下兩個開關器件施加互補的驅動信號。由于功率器件的開通時間往往小于關斷時間，因此容易發生同橋臂兩只開關管同時導通的短路故障損壞器件。為了防止這種短路故障的發生，逆變器控制必須引入一段封鎖時間，此時上下橋臂均將驅動信號封鎖以保證

同橋臂上一只開關管可靠關斷后，另一只開關管可靠導通。死區時間的確定主要依賴于開關器件的導通和關斷時間來確定。死區補償的必要性

死區時間的存在使得實際輸出電壓和給定電壓之間存在偏差，引起負載相電流的畸變，電機的轉矩也因此產生波動，甚至影響電機的穩定性。因此需要對死區進行補償。23精選2021版課件SVPWM死區效應分析死區效應的影響主要體現在兩個方面,一個是電壓畸變,另一個是相電流的零電流箝位現象。死區的影響所造成的電壓畸變和電流的極性直接相關，而和電流的大小無關。以A相分析電流從逆變器流向負載定義為正，當時，死區時間內A相端電壓為0當時，死區時間內A相斷電壓為死區時間內A相的端電壓將不受功率開關器件的控制，而取決于該相相電流的方向。利用平均電壓的概念，得到死區對A相端電壓的影響。24精選2021版課件零電流箝位右圖所示，電流的變化方向和電壓的變化方向恰好相反，這種相反的變化趨勢使得相電流在過零點處有保持原值的趨勢而形成平臺。25精選2021版課件補償原理設法產生一個和畸變電壓大小相同，方向相反的補償電壓來抵消或削弱畸變電壓的影響。電壓補償電壓反饋型：檢測每相的電壓值，需要增加硬件結構電流反饋型：根據三相電流的方向，設定和畸變電壓矢量幅值相同，方向相反的誤差補償函數。在輸出電壓矢量的基礎上，加上此補償函數作為實際的電壓輸出指令以抵消死區的影響。26精選2021版課件電流方向的判斷(難點)死區補償中需要對負載電流方向進行檢測，但是電機系統中，由于PWM的開關噪聲以及零電流箝位現象，使得電流過零點的檢測極為困難。27精選2021版課件SVPWM的過調制策略采用SVPWM技術，三相電壓型逆變器在線形調制區輸出電壓基波矢量最大幅值為，采用過調制技術，輸出電壓基波