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1、2.4 正弦脉宽调制SPWM及其控制方法,2.4.1 PWM控制的基本原理,PWM(Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。,2.4.1 PWM控制的基本原理,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章能使我们对
2、逆变电路有完整地认识。,2.4.1 PWM控制的基本原理,重要理论基础面积等效原理,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。,2.4.1 PWM控制的基本原理,b),图6-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“面积等效原理”,a）,u(t)电压窄脉冲，是电路的输入。i(t)输出电流，是电路的响应。,2.4.1 PWM控制的基本原理,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,2.4.1 PWM控制的基本原理,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,SPWM波,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,2.4.1 PWM控制的
3、基本原理,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,2.4.2 SPWM控制的实现方法,实现方法,计算法,专用SPWM集成电路,自然采样法,规则采样法,直接PWM法,模拟实现,1.SPWM模拟实现,三相对称的参考正弦电压调制信号、由正弦波发生器产生,其频率和幅值都是可调的。三角载波信号 由三角波发生器提供，三相共用。分别与每相调制信号通过比较器进行比较，比较器输出“正”或“零”的输出，即为SPWM脉冲序列波，作为逆变器开关器件的驱动信号。,2.计算法(数字
4、控制),根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形特点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化,1).自然采样法,自然采样法：按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。该法最准确，但要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多,2.计算法(数字控制),2).规则采样法,特点：工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多,图2-19 规则采样法,2.计算法(数字控制),规则采样法原理图2-19，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉
5、冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样得E点，过E作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度t2 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近,2.计算法(数字控制),规则采样法计算公式推导 正弦调制信号波 式中，ma称为调制度，0ma1；wc为信号波角频率。从图中得 因此可得 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度,三角波的峰值为1,2.计算法(数字控制),推广到三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120同一三角波周期
6、内三相的脉宽分别为、和，脉冲两边的间隙宽度分别为、和，、和，同一时刻三相调制波电压之和为零，由上式得 其中:,2.计算法(数字控制),3).直接PWM法(面积相等法)思路:使每一载波周期内逆变器输出脉冲的面积和在同一载波周期内希望得到的正弦波的面积相等。假设希望输出的正弦电压为：则从 到 区间正弦波的面积为：若逆变器直流环节电压为Ud，到 区间的脉冲宽为，令脉冲面积和这段正弦波面积相等。可求出：,3.专用SPWM集成电路,应用微机产生SPWM波形，其效果受到微机字长、指令功能、运算速度、存储容量等条件的限制，有时难以有很好的实时性，特别是在高频电力电子器件被广泛应用后，完全依靠软件生成SPWM
7、波形的方法实际上很难适应高开关频率的要求。随着微电子技术的发展，开发出一些专门用来产生SPWM控制信号的集成电路芯片，应用这些芯片比用微机生成SPWM信号要方便的多。目前已投入市场的专用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我国自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752与HEF4752的功能完全兼容。另外，现在有些单片机本身就具有直接输出SPWM信号的功能，如8XC196MC、TMS320F240等。,HEF4752是数字化的大规模集成电路。采用标准的28脚双列直插封装。芯片可提供
8、三组互差120互补输出SPWM控制脉冲，以供驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输出。可适用于晶闸管、GTO或功率GTR。对晶闸管尚可附加产生三对互补换流脉冲，用于辅助晶闸管换流。该芯片采用脉冲宽度的双边缘正弦调制方式，有8段载波比（15、21、30、42、60、84、120、168）自动切换。调频范围为0200Hz，器件的开关频率一般在1kHz以下，不适合于IGBT逆变器。,SLE4520是一种可编程的三相PWM集成电路。三相PWM信号形成器实际上就是三个定时器或计数器。SLE4520有三个预置减计数器通过8位数据总线接收来自微机的地址和脉宽数据，将8位数据转化为相应宽度的矩形脉冲，脉宽
9、由减计数器内的数值决定。六个输出产生三相SPWM矩形脉冲，互差120，以控制逆变器中的六个主开关器件。器件的开关频率和输出频率分别可达20kHz和2.6kHz，适用于IGBT变频器。芯片内有一个四位死区锁存器，可设置逆变桥同相上下两开关器件转换的死区时间，以防直通事故。还设有“禁止”信号端，当其为高电平时，将使功率开关器件处于关断状态，可以方便的实现各种保护。,MA818也是一种可编程的三相SPWM大规模集成电路，采用双列直插或方形塑封40引脚封装，同一系列的芯片还有MA828和MA838。MA818具有六个标准TTL电平输出，可方便的用来驱动逆变器中六个功率开关器件。其工作参数，如载波频率、
10、调制频率、调制深度、过调制选择、最小脉冲宽度、延迟时间、相序等可由微机通过向其写入控制字而方便的确定或修改，不需外加任何电路。MA818采用SPWM的规则采样法产生实际的SPWM输出脉冲。用于与三角载波比较的调制波形由MA818从外部2k8的PROM/EPROM中直接读取。MA818的三角载波频率可选，最高可达24kHz，输出调制频率最高可达4kHz。,MITEL公司生产的SA系列SPWM发生器,返回,图2-18 自然和规则采样法,返回,自然采样法:,规则采样法:,图：直接PWM法,返回,特点：计算方法简单，物理概念清楚。谐波比规则采样法好。,SPWM原理:正弦PWM的信号波为正弦波，就是正弦
11、波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。正弦波波形产生的方法有很多种，但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小，所以变频器的输出电压达不到直流侧电压的倍;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前者，但对于微处理器来说，增加了数据处理量当载波频率较高时，对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的，它兼顾了前两种方法的优点。SPWM虽然可以得到三相正弦电压，但直流侧的电压利用率较低，最大是直流侧电压的倍，这是此方法的最大的缺点。SVPWM原理:电压空间矢量PWM(
12、SVPWM)的出发点与SPWM不同，SPWM调制是从三相交流电源出发，其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源。而SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量，建立逆变器功率器件的开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频调速。若忽略定子电阻压降，当定子绕组施加理想的正弦电压时，由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量，故气隙磁通以恒定的角速度旋转，轨迹为圆形。SVPWM比SPWM的电压利用率高15%，这是两者最大的区别，但两者并不是孤立的调制方式，典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果，因此SVPWM有对应SPWM的形式。反之，一些性能优越的SPWM方式也可以找到对应的SVPWM算法，所以两者在谐波的大致方向上是一致的，只不过SPWM易于硬件电路实现，而SVPWM更适合于数字化控制系统。,
