正弦波脉冲宽度调制精.ppt

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1、正弦波脉冲宽度调制第1页，本讲稿共28页一、一、SPWM介绍介绍SPWM（Sinusoide Pulse Width Modulation）即正弦波脉冲宽度调制，它是脉冲宽度按正弦函数变化脉冲宽度按正弦函数变化的PWM调试。那么，如何实现SPWM及其波形的发生呢？1964年，德国学者首次将通讯系统的调制技术应用到交流传动的变频器控制中，诞生了SPWM技术。此后随着微处理器技术的发展，又提出了规则采样数字化SPWM方案和能提高直流电压利用率的准优化SPWM方案，使SPWM技术日趋成熟，但其基本的调制规则并没有改变。第2页，本讲稿共28页二、调制方式二、调制方式（1）基于载波的对称调制和非对称调制

2、随着随着SPWM技术发展，已研制出多种特性各异的技术发展，已研制出多种特性各异的SPWM控制方案，但大多数控制方案，但大多数SPWM控制方案仍采用基于通讯调制技术的控制方案仍采用基于通讯调制技术的PWM基本调制规则。基本调制规则。这种基本调制规则是以这种基本调制规则是以正玄波参考波正玄波参考波为为调制波调制波，并以，并以N倍调制波频率倍调制波频率的具有分段的具有分段线性特性的线性特性的三角波三角波或者或者锯齿波锯齿波为为载波载波，将载波与调制波相交，将载波与调制波相交，就得到一组幅值就得到一组幅值相等，而宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列。相等，而宽度正比于正弦调制波函数的方波脉冲序列。利

3、用这一方波脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元驱动功率开关管便可以实现利用这一方波脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元驱动功率开关管便可以实现SPWM控制。控制。第3页，本讲稿共28页 载波比载波比与与调制深度调制深度（重要概念）（重要概念），载波频率为载波频率为令调制波频率为令调制波频率为载波比载波比，载波幅值为载波幅值为令调制波幅值为令调制波幅值为调制度调制度左图为三角波调制，右图为锯齿波调制第4页，本讲稿共28页采用三角载波的SPWM脉冲序列由于三角载波的对称性，因而属于对称载波调制。采用锯齿载波的SPWM脉冲序列由于锯齿载波的非对称性，因而属于非对称载波调制。相比之下，锯齿载波的SPWM实

4、现较为简单，由于锯齿载波固有的非对称特性，因而输出波形中含有偶次谐波。而在相同的开关频率以及调制波条件下，三角载波的SPWM其输出波形的谐波含量相对较低。以下均以三以下均以三角载波的角载波的SPWM进行介绍。进行介绍。第5页，本讲稿共28页二、异步调制二、异步调制对于任意的调制波频率任意的调制波频率 ，载波频率载波频率 恒定恒定的脉宽调制成为异步调制异步调制。对于任意的调制波频率任意的调制波频率 ，载波频率载波频率 恒定恒定的脉宽调制成为异步调制异步调制。在异步调制方式中，由于载波频率 保持一定，因而当调制波频率变化时，调制波信号不能保持同步，即载波比N与调制频率 成反比。在异步调制方式中，由

5、于 保持一定，因而当 变化时，调制波信号与载波信号不能保持同步，即载波比N与调制波频率 成反比，因此，异步调制具有以下特点:第6页，本讲稿共28页l由于载波频率 固定，因而逆变器具有固定的开关频率。l当调制波频率 变化时，载波比N与调制波频率 成反比。例如，当调制波频率 变高时，载波比N变小，即一个周期的脉冲数变少。l当调制频率 固定时，一个调制波正负半个周期中的脉冲数不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制波正负半个周期以及每个半个周期中前后1/4周期的脉冲波形不具有对称性。不同调制波频率时的异步调制SPWM波形第7页，本讲稿共28页u由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需

6、要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为容易。u由于一个调制波周期中脉冲波形的不对称性，将导致基波相位的跳动。对于三相正弦波逆变器，这种基波相位的跳动会使三相输出不对称。u当 较低时，由于一个调制波周期中的脉冲数较多，脉冲波形的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对较小；而当 较高时，由于一个调制波周期中的脉冲数较少，脉冲波形的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对变大。第8页，本讲稿共28页三、同步调制三、同步调制对于任意的调制波频率 ，载波比N保持恒定的脉宽调制成为同步调制。在同步调制方式中，由于载波比N保持恒定，因而当 变化时，调制波信号与载波

7、信号应保持同步，即 与 成正比，因此，同步调制具有以下特点：u由于载波频率 与调制波频率 成正比，因而当调制波频率 变化时，载波频率 也相应变化，这就使逆变器开关频率不固定。例如，当调制波频率 变高时，载波频率 同步提高，从而使开关频率变高。u由于载波比N保持一定，当调制波频率 变化时，一个调制波周期中的脉冲数将固定不变。第9页，本讲稿共28页u当载波比N为奇数时，一个调制波正负半个周期以及半个周期中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。不同调制波频率 时的同步调制SPWM波形如下图所示第10页，本讲稿共28页n当载波比N为奇数时，由于SPWM波形的对称性，无论fr高低，都不会导致基波相位的跳

8、动。n由于同步调制时的开关频率随 的变化而变化，所以对于需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。n当 变高时，变高，从而使开关频率变高，输出谐波减小；当 变低时，变低，从而使开关频率变低，输出谐波增大。n因此采用同步调制时，SPWM的高频性能好，而低频性能较差。为了克服这一不足，同步调制时，应尽量提高SPWM的载波比N，但较高的载波比设计会使调制波频率变大时逆变器的开关频率增加，从而导致开关损耗增加。第11页，本讲稿共28页四、四、SPWM脉冲信号的生成脉冲信号的生成所谓的SPWM脉冲信号的生成是指：通过模拟或数字电路对载波信号和调制波信号（

9、如正弦波信号）进行适当的比较运算处理，从而生成与调制波信号相对应的脉宽调制信号，以此驱动正弦波逆变器的功率开关。SPWM脉冲信号的生成主要包括模拟生成法模拟生成法和数字生成法数字生成法。（1）模拟生成法）模拟生成法模拟比较法模拟比较法模拟比较法就是将载波信号（如三角波）和调制波信号（正弦波信号）通过模拟比较器模拟比较器进行比较运算，从而输出SPWM脉冲信号，其电路原理图如右图所示。第12页，本讲稿共28页（2）数字生成法）数字生成法1自然采样法自然采样法自然采样法就是通过联立三角载波信号和正弦调制波信号的函数方式，并求解三角载波信号和正弦调制波信号交点的时间值，从而求出相应的脉宽和脉冲时间，以

10、生成SPWM脉冲信号。自然采样法实际上就是模拟比较法的数字实现其原理如右图所示图4-32 SPWM脉冲信号自然采样法生成原理 第13页，本讲稿共28页图4-32 SPWM脉冲信号自然采样法生成原理 若令三角载波幅值 1，调制度为M，正弦调制波角频率为 ，则正弦调制波的瞬时值为由右图可知，并根据相似三角形的几何关系可得自然采样法SPWM脉宽t2的表达式为此公式不需要求解，只需参考就可显然上式是个超越方程，运算求解较为困难。可见，自然采样法不便应用于基于微处理器的数字SPWM控制系统中。为此，必须对自然采样法进行简化。第14页，本讲稿共28页（3）数字生成法）数字生成法2规则采样法规则采样法l将自

11、然采样法中的正弦调制波以阶梯调制波进行拟合后一种简化的SPWM脉冲信号发生方法，其原理如图所示图4-33 SPWM脉冲信号规则采样法生成原理 l每个载波周期中，原正弦调制波与三角载波周期中心线的交点就是阶梯波水平线段的中点。这样三角载波与阶梯波水平线段的交点A、B两点就分别落在正弦波的上下两边，从而减小了阶梯波调制的误差。l另外，由于A、B两点对于三角载波周期中心线对称，因而使SPWM脉冲信号发生得以简化。第15页，本讲稿共28页图4-33 SPWM脉冲信号规则采样法生成原理 由于 、M均为已知量，因此，规则采样法SPWM脉宽 的计算较为简单，适合基于微处理器的数字SPWM控制。并根据相似三角

12、形的几何关系容易得出规则采样法SPWM脉宽 以及脉冲间隙时间 、的表达式分别为第16页，本讲稿共28页看到这里，其实我有一种感觉，自然采样法的文字很好理解，但是公式很蛋疼；而规则采样法，文字不好理解，但是公式似乎很容易看懂哦，哎，差不多明白一下原理就好了。除了上述的几种方法外，常见的方法还有“特定谐波消除法”和“跟踪型两态调制法。”但是太复杂了，我就不介绍了，我自己也不想再看下去了，差不多懂了原理算了至于以后要用，在此基础上再好好看也行。第17页，本讲稿共28页五、单相电压型正弦波逆变器的五、单相电压型正弦波逆变器的PWM控制控制单相电压型正弦波逆变器原理电路图如下所示，对于单相电压型正弦波逆

13、变器，可以采用三种SPWM控制方案，即单极性单极性SPWM控制控制、双极性双极性SPWM控制以及倍频单极性倍频单极性SPWM控制控制。单相电压型正弦波逆变器原理图第18页，本讲稿共28页（一）单极性（一）单极性SPWM控制控制所谓单极性SPWM控制是指输出脉冲具有单极性特征。即当输入正半周输入正半周时，输出脉冲全为正极性脉冲全为正极性脉冲；当输入负半周输入负半周时，输出脉冲全为负极性脉冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角波形极性三角波形极性与正弦调制波极性正弦调制波极性相同相同的所谓单极性三角载波调制，如下图所示（左图：调制波形，右图：生成电路）观察三角波和正弦波可知，观察三角波和正弦波可知

14、，在正弦波的正半周期，三在正弦波的正半周期，三角波也为正，负半周期亦角波也为正，负半周期亦如此如此第19页，本讲稿共28页控制过程如下：控制过程如下：根据单相电压型正弦波逆变电路桥臂控制功能不同，可将其分为周期控制桥臂周期控制桥臂以及调制调制桥臂桥臂。周期桥臂调制桥臂l若将图中的VT3(VD3)、VT4(VD4)作为周期控制桥臂，那么，VT1(VD1)、VT2(VD2)作为调制桥臂。l单极性SPWM控制时的开关管驱动信号生成原理电路图如右下图所示，其中比较器A用于驱动调制桥臂，比较器B用于驱动周期控制桥臂。第20页，本讲稿共28页周期桥臂调制桥臂在正弦调制波的正半周，由于三角载波的极性为正，则

15、比较器B的输出极性为正，因此VT4导通，而VT3关断。（比较器（比较器B的的同相输入端两路信号均为正，反相输入端接同相输入端两路信号均为正，反相输入端接地，所以恒输出正信号。）地，所以恒输出正信号。）同时比较器A根据调制波与载波的调制而输出SPWM信号当VT1导通有效而VT2关断有效时，VT1导通，VT2关断。此时，电路通过VT1和VT4导通。显然正弦调制波正版周时，逆变器输出正极性的SPWM电压脉冲。负半周期同理可以推导。第21页，本讲稿共28页（二）双极性的（二）双极性的SPWM控制控制n单极性SPWM控制由于采用了单极性三角载波调制，从而使控制信号发生变得较为复杂，因此很少采用。n双极性

16、SPWM控制是指输出脉冲具有双极性特征，即无论正负半周期，输出脉冲全为正负极性跳变的双极性脉冲。n采用基于三角载波调制的双极性SPWM控制时，只需要采用正负对称的双极性三角载波即可，双极性控制时的调制及逆变器的输出波形如下图所示可对比单极性的可对比单极性的三角载波和输出三角载波和输出脉冲，看有什么脉冲，看有什么不同。不同。第22页，本讲稿共28页u当正弦波调制信号瞬时值大于三角波信号瞬时值时，比较器输出极性为正，VT1、VT4导通有效，而VT2、VT3关断有效。此时逆变器输出正极性的SPWM电压脉冲。同理，当正弦波调制信号瞬时值小于三角载波信号瞬时值时，比较器输出极性为负。u与单极性SPWM相

17、比，双极性SPWM采用了正负对称的三角载波，从而简化了SPWM控制信号发生。第23页，本讲稿共28页（三）倍频单极性（三）倍频单极性SPWM控制控制u倍频单极性SPWM控制是指，逆变器输出脉冲的调制频调制频率率是载波频率载波频率的两倍两倍，并且输出脉冲具有单极性特征单极性特征。u倍频单极性SPWM控制有调制波反相调制波反相和载波反相载波反相两种PWM控制模式，具体如下。第24页，本讲稿共28页（1）调制波反相的倍频单极性）调制波反相的倍频单极性SPWMn功率管驱动信号生成原理电路与双极性SPWM控制时的功率管驱动信号生成原理电路类似。n两者在调制波的设计上有所不同，即：逆变器两相桥臂的调制信号

18、则采用了幅值相等且相位互差180的调制波信号。第25页，本讲稿共28页其实上个图我看得其实上个图我看得不是太懂，这个图不是太懂，这个图是我自己画的，我是我自己画的，我猜应该是这样子的猜应该是这样子的第26页，本讲稿共28页（1）载波反相的倍频单极性）载波反相的倍频单极性SPWMn采用载波反相的倍频单极性SPWM控制模式时的开关管却东信号生成原理电路与单极性SPWM控制时的开关管驱动信号生成原理图类似。n两者载波的设计不同，即：单极性SPWM控制时的逆变器两相桥臂的载波采用了单极性载波信号；而载波反相的倍频单极性SPWM控制模式时的逆变器两相桥臂的载波信号采用了幅值相等且相位差为180的对称双极

19、性载波信号。第27页，本讲稿共28页由以上分析可知，无论采用调制波反相还是载波反相的倍频单极性SPWM控制模式，逆变器的输出均为单极性SPWM波形，而且逆变器输出脉冲的频率均为载波频率的两倍。这表明，如果载波频率域单极性SPWM控制时的载波频率相同，这种倍频单极性SPWM控制的逆变器输出脉冲的调制频率时单极性SPWM控制时的两倍。因此，采用倍频单极性SPWM控制一方面在一定得输出波形畸变率下，可以有效降低开关管的开关频率；另一方面，在一定得开关频率下，可以有效地降低输出波形畸变率。倍频单极性SPWM控制由于控制简单且具有输出倍频特性，因而使一种优化的单相电压型正弦波逆变器的SPWM控制方案。尤其是调制波反相的控制模式，由于采用微处理器（如DSP）进行波形发生的方便性，实际应用时较多被采用。第28页，本讲稿共28页