正弦脈寬調(diào)制SPWM及其控制方法

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控制的基本原理v2.4.2 SPWM的控制（實現(xiàn)）方法 2.4.1 PWM控制的基本原理vPWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脈寬調(diào)制技術脈寬調(diào)制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。2.4.1 PWM控制的基本原理vPWM控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。vPWM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。vPWM控制技術正是有賴于在逆變電路

2、逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術，因此，本章能使我們對逆變電路有完整地認識。2.4.1 PWM控制的基本原理重要理論基礎面積等效原理面積等效原理沖量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，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同圖2-15 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖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tOtOtOf (t)f (t)f (t)2.4.1 PWM控制的基本原理b)圖6-2 沖量相等的各種窄脈沖的響

3、應波形具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”a）u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應。 OutSPWM波2.4.1 PWM控制的基本原理Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out2.4.1 PWM控制的基本原理Ou t若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。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out2.4.1 PWM控制的基本原理OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面

4、積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。2.4.2 SPWM控制的實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法計算法專用SPWM集成電路自然采樣法規(guī)則采樣法直接PWM法模擬實現(xiàn)1. SPWM模擬實現(xiàn)三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號 、 、 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 由三角波發(fā)生器提供，三相共用。分別與每相調(diào)制信號通過比較器進行比較，比較器輸出“正”或“零”的輸出，即為SPWM脈沖序列波，作為逆變器開關器件的驅(qū)動信號。 caucbuccutriu正弦波發(fā)生器三角波發(fā)生器cauccucbutriu驅(qū)動開關器件(SPWM波)2. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控

5、制)根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形特點：繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化1). 自然采樣法自然采樣法：自然采樣法：按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然自然交點時刻控制功率開關器件的通斷。v該法最準確，但要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多2. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)v2). 規(guī)則采樣法特點：特點： 工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖2-19 規(guī)則采樣法 utriuOtucTcAEBt2t1t3t2/ 2t2/ 2tutriu

6、OtucTcADBt2t1t3t2/ 2t2/ 2tuceucd2. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法原理圖2-19，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻對正弦信號波采樣得E點，過E作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈沖寬度t2 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 2. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)規(guī)則采樣法計算公式推導規(guī)則采樣法計算公式推導 正弦調(diào)制信號波 式

7、中，ma稱為調(diào)制度調(diào)制度，0ma1；wc為信號波角頻率。從圖中得 因此可得 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. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)推廣到三相橋逆變電路的情況推廣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120同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為 、 和 ，脈沖兩邊的間隙寬度分別為 、 和 ， 、 和 ，同一時刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由上式得 其中: 2at2bt2ct1at1bt1ct3at3bt3

8、ctc2e13c2c2e13c2c22213c21(1sin),22211sin(),23231,22aacaaabacbbbcabcccTtmtttTtTtmtttTtTtttttTtww22232cabcTttt11133334cabcabcTtttttt2. 計算法計算法(數(shù)字控制數(shù)字控制)v3). 直接PWM法(面積相等法)v 思路: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 假設希望輸出的正弦電壓為：v 則從 到 區(qū)間正弦波的面積為：v 若逆變器直流環(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inomc

9、uUtwsin()(coscos)batmmcccacbtcUUtdtttwwwwwatbtatbt2t2(coscos)mdcacbcUtUttwww2(coscos)mcacbcdUtttUwww3. 專用專用SPWM集成電路集成電路v應用微機產(chǎn)生SPWM波形，其效果受到微機字長、指令功能、運算速度、存儲容量等條件的限制，有時難以有很好的實時性，特別是在高頻電力電子器件被廣泛應用后，完全依靠軟件生成SPWM波形的方法實際上很難適應高開關頻率的要求。v隨著微電子技術的發(fā)展，開發(fā)出一些專門用來產(chǎn)生SPWM控制信號的集成電路芯片，應用這些芯片比用微機生成SPWM信號要方便的多。目前已投入市場的專

10、用SPWM芯片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、Sanken公司的MB63H110，以及我國自行研制的ZPS-101、THP-4752等。其中，THP-4752與HEF4752的功能完全兼容。另外，現(xiàn)在有些單片機本身就具有直接輸出SPWM信號的功能，如8XC196MC、TMS320F240等。vHEF4752是數(shù)字化的大規(guī)模集成電路。采用標準的28腳雙列直插封裝。v芯片可提供三組互差120互補輸出SPWM控制脈沖，以供驅(qū)動逆變器六個功率開關器件產(chǎn)生對稱的三相輸出。v可適用于晶閘管、GTO或功率GTR。對晶閘管尚可附加產(chǎn)生三對互補換流脈沖，用于輔助晶閘管換

11、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）自動切換。v調(diào)頻范圍為0200Hz，器件的開關頻率一般在1kHz以下，不適合于IGBT逆變器。vSLE4520是一種可編程的三相PWM集成電路。三相PWM信號形成器實際上就是三個定時器或計數(shù)器。vSLE4520有三個預置減計數(shù)器通過8位數(shù)據(jù)總線接收來自微機的地址和脈寬數(shù)據(jù)，將8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應寬度的矩形脈沖，脈寬由減計數(shù)器內(nèi)的數(shù)值決定。v六個輸出產(chǎn)生三相SPWM矩形脈沖，互差120，以控制逆變器中的六個主開關器件。v器件的開關頻率和輸出頻率分別可達20kHz和2.6kHz，適用于IG

12、BT變頻器。v芯片內(nèi)有一個四位死區(qū)鎖存器，可設置逆變橋同相上下兩開關器件轉(zhuǎn)換的死區(qū)時間，以防直通事故。v還設有“禁止”信號端，當其為高電平時，將使功率開關器件處于關斷狀態(tài)，可以方便的實現(xiàn)各種保護。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。vMA818具有六個標準TTL電平輸出，可方便的用來驅(qū)動逆變器中六個功率開關器件。v其工作參數(shù)，如載波頻率、調(diào)制頻率、調(diào)制深度、過調(diào)制選擇、最小脈沖寬度、延遲時間、相序等可由微機通過向其寫入控制字而方便的確定或修改，不需外加任何電路。vMA818采用SPWM的規(guī)則采樣法

13、產(chǎn)生實際的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24kHz，輸出調(diào)制頻率最高可達4kHz。MITEL公司生產(chǎn)的SA系列SPWM發(fā)生器 SA869無需處理器，所有參數(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位電源頻率精度只能輸出純正弦波一種波形適用于低成本、大批量的應用單相SPWM輸出SA828與微處理器連接，處理整個SPWM過程低成本、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24KHz電源頻率精度16位SA86

14、6/SA867適用于低、中、大容量工作中無需微處理器，SA866YE/ 867YE參數(shù)儲存在單獨EEPROM中，而SA866YM/ 867YM則由工廠掩膜編程SA866輸出純正弦波、三次諧波或帶死區(qū)的三次諧波通過10位的ADC輸入模擬信號，實現(xiàn)連續(xù)調(diào)頻或通過4位的數(shù)字輸入確定12位的速度（頻率）專用工作模式適用于靜止逆變器通過EEPROM可設置4項功能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）輸出三相純正弦波、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）無需外接處理器，所有參數(shù)由工廠掩膜編程16位電源頻率精度適用于低成

15、本、大容量的應用三相SPWM輸出SA838并聯(lián)微處理器接口，波形產(chǎn)生數(shù)字化載波頻率可達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與微處理器連接（SA828升級），有高級界面內(nèi)部可編程“看門狗”具有正弦型、增強型、高效型三種波形載波頻率可達24KHz電源頻率精度16位三相幅值獨立控制也可應用于兩相中圖6-6urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 返回返回 圖圖2-18 自然和規(guī)則采樣法自然和規(guī)則采樣法 返回返回 21(sinsin)22cac Ac BTmtttww自然采樣法:c2e132e(1sin)21

16、()(1sin)24acccacTtmtTttTtmtww規(guī)則采樣法:utriuOtTcABt2t1t3t2t2tsincacumtw1wtOua )b )圖 6 - 3OuwtdUbtat2t圖：直接PWM法 返回返回 特點：計算方法簡單，物理概念清楚。 諧波比規(guī)則采樣法好。mUvSPWM原理:正弦PWM的信號波為正弦波，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:對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法和平均對稱規(guī)則采樣法三種。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不到直流側(cè)電壓的倍

17、;第二種方法在一個載波周期里要采樣兩次正弦波，顯然輸出電壓高于前者，但對于微處理器來說，增加了數(shù)據(jù)處理量當載波頻率較高時，對微機的要求較高;第三種方法應用最為廣泛的，它兼顧了前兩種方法的優(yōu)點。 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點。 vSVPWM原理:電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發(fā)點與SPWM不同，SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā)，其著眼點是如何生成一個可以調(diào)壓調(diào)頻的三相對稱正弦電源。而SVPWM是將逆變器和電動機看成一個整體，用八個基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關狀態(tài)，并依據(jù)電機磁鏈和電壓的關系，從而實現(xiàn)