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1、1,第3部分 SPWM和SVPWM控制,2,3. 2 脉冲宽度调制技术,3.3 电压型变频器的控制系统,3. 1 电压型PWM逆变器的基本工作原理,3,3.1 电压型PWM逆变器的基本工作原理,3.1.1单相电压型PWM逆变器及其控制方法 3.1.2三相电压型PWM逆变器及其控制方法,4,3.1 电压型PWM逆变器的基本工作原理,5,3.1.1单相电压型PWM逆变器及其控制方法,6,图3-3 单极性脉宽调制输出电压和电流波形,7,基本工作原理,8,单极性调制和双极性调制,9,10,同步调制和异步调制,11,同步调制与异步调制比较,12,线性调制和过调制,13,线性调制和过调制,14,4.1.2
2、三相电压型PWM逆变器及其控制方法,15,图3-6三相桥式逆变器主电路,16,三相PWM逆变器的基本工作原理,17,三相逆变器控制方法,18,图3-7 三相逆变器PWM波形,19,3.2 脉冲宽度调制技术,脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）技术是当前电压型逆变器中主要的波形生成技术。 对于一般工业应用，以PWM为核心的逆变器，是由二极管桥式整流恒压供电，用控制脉冲列的调制周期和脉冲宽度来实现输出频率和电压的调节。随着具有自关断能力半导体功率开关器件、微型计算机和微电子技术的迅速发展，使得PWM逆变器的开关频率不断提高，输出电流波形更接近正弦波或使电动机磁场
3、更接近圆形。目前PWM技术已成为交流调速系统、交流伺服系统、高频逆变电源系统的主流控制技术。,20,1、SPWM调制法 2、加入3次谐波的HIPWM调制法 3、规则采用法 4、谐波消除法 5、电流滞环跟踪法 6、电压空间矢量法,脉宽调制方式,21,3.2.1 SPWM调制法,22,1. SPWM波形生成分析,为了对SPWM法进行定量分析，将SPWM生成波形进行局部放大示。,图3-8 SPWM局部波形,23,1. SPWM波形生成分析,24,25,26,27,谐波分析,逆变器输出电压：,(3-10),28,已知三角函数积分为：,(3-11),将式（3-10）中的,展开，并将式（3-11）代入，则
4、得,(3-12),29,三相逆变器输出电压表达式为：,(3-13),(3-14),30,31,2. SPWM调制法的控制实现,自然采样法 ：通过计算正弦调制波与三角载波的交点，求出相应的脉宽和脉冲间歇的时间，来生成SPWM波形。,图3-9 SPWM自然采样法,32,由图可知,(3-15),33,由式（3-5）和（3-6）相似三角形可得,(3-16),将上式整理后得,(3-17),34,35,3.2.2 加入3次谐波的HIPWM调制法,36,为了解决SPWM过调制问题，在正弦参考波中加入3的整倍数次谐波，形成波顶较平坦的参考信号，使调制系数M可大于1。 由于逆变器输出基波电压的大小和相位是由参考
5、信号决定的，而三相逆变器为三线输出没有零线，在线路上不会出现3的整倍数次谐波电压和电流，所以正弦形参考信号加入3次谐波后，对输出基波电压不会有不利影响。 只要合成参考信号最大值不超过载波峰值就不会进入非线性控制区，从而可拓宽线性控制范围，提高了直流侧电压利用率。,HIPWM特点,37,38,图3-10 正弦参考信号加入3次谐波的脉宽调制波形,39,40,41,3.2.3 规则采样法,规则采样法：是针对SPWM调制实现时，自然采样法在线计算开关点 困难而提出的。,分类：1、对称规则采样法； 2、不对称规则采样法。,42,1. 高点对称规则采样法,43,图3-11 高点对称规则采样法,44,45,
6、46,2. 低点对称规则采样法,47,48,(3-27),由上图可知：,由式（3-5）和（3-6）相似三角形可得,(3-28),将式(3-28)中的,代入式(3-27)中，得到,(3-29),脉冲宽度为,(3-30),由于A和B两点位于正弦参考波的两侧，减小了脉宽生成时间的误差。对比图3-11，不难看出低点对称规则采样法得到的SPWM波形更加准确,49,规则采样缺点,50,3. 高低点不对称规则采样法,不对称规则采样法相对于对称规则采 样法而言，是一种倍频调制。它在一个三角波周期内进行两次采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点确定脉宽。由于在一个三角波周期内的位置不对称，因此，该采
7、样方法称为不对称规则采样法。高低点不对称规则采样法是既在三角波的顶点位置对正弦波进行采样，又在三角波的底点位置对正弦波进行采样，如图3-13所示。,51,图3-13 高低点不对称规则采样法,52,53,54,55,56,4. 零点不对称规则采样法,57,图3-14中间点不对称规则采样法,58,59,60,61,62,63,图3-15 基于倍频采样的第K周期的电流波形,64,65,3.2.4谐波消除法,66,67,68,69,70,71,3.2.5电流滞环跟踪法,72,工作原理框图,图3-18 电流滞环跟踪PWM原理框图,73,图3-19电流跟踪控制形成PWM的波形,74,75,76,77,3.
8、2.6电压空间矢量法,78,1电压空间矢量定义,79,80,2开关状态对应的空间矢量,图3-6三相桥式逆变器主电路,81,2开关状态对应的空间矢量,82,83,84,85,86,87,88,89,90,图3-20 两电平逆变器空间矢量图,91,开关状态与电压空间矢量对应关系,92,3矢量作用时间计算,93,94,图3-21 矢量,的合成图,95,96,97,98,4. SVPWM法的调制系数,99,100,101,5.开关模式的设计,102,图3-22,位于第扇区时的七段法开关模式,103,104,表3-3 基于最少开关动作原则的开关模式,105,图3-23不满足“最少开关动作”原则的开关模式
9、,106,107,108,109,3.3电压型变频调速系统,图3-25 PWM逆变器控制系统硬件电路,3.3.1 PWM变频器控制系统硬件电路,110,主电路结构,111,中央控制单元,112,检测电路,113,霍尔传感器,霍尔传感器检测方法可以检测PWM波形、直流和任意交流的信号，不但能够将主电路和控制电路进行隔离，而且不存在电位匹配和阻抗匹配问题，非常适合PWM逆变器的输出电压、输出电流、直流侧电压的测量。 电流霍尔传感器的工作原理如图3-26所示。,114,图5-26 电流霍尔传感器的工作原理图,115,116,驱动电路,当输入PWM信号为高电平时。光电耦合器VTl及晶体管VT2、VT3
10、和VT5导通，驱动IGBT导通；当输入PWM信号为低电平时，VT4、VT6导通，使IGBT快速关断。,图3-27 功率开关管IGBT驱动电路,117,开关电源,开关电源电路是一种隔离电源，输入为主电路线电压输入，输出为+5V、+15V、-15V和地，为中央控制单元、检测电路和驱动电路提供电源。应该注意的是，为驱动电路提供的电源必须是电位浮动的独立电源。,118,3.3.2 SPWM逆变器控制系统,1. 控制系统构成,图3-28 SPWM逆变器控制系统原理框图,119,120,2. SPWM调制方式,控制系统采用如图3-29所示的SPWM调制方式。在低频输出区，采用载波频率,恒定的异步调制方式，
11、而在较高输出频率范围内采用分级同步调制方式。,图3-29 控制系统异步和分级同步调制方式,121,3三相正弦参考信号发生器,SPWM控制系统中，三相正弦参考信号发生器是重要的单元。在微型计算机中，为了实现正弦波发生器，一般将正弦表数据存贮在ROM中，然后通过查表的方法生成正弦波，如图3-30所示。,图3-30三相正弦波发生器框图,122,123,表3-4 采样点为256的正弦表,124,4.倍频发生器,125,锁相环倍频发生器框图如图3-31所示。实质上它是一个数字反馈系统，环路滤波器的输入端产生一个与相位差值成正比的模拟误差信号，放大的误差信号驱动一个压控振荡器，以产生一个期望的输出频率。,图3-31倍频发生器框图,126,3.3.3 SVPWM逆变器控制系统,1. 控制系统构成,图3-32 SVPWM逆变器控制系统原理框图,127,128,绝对值运算器输出一路经过函数发生器，用来实现在整个调频范围内进行输出电压和频率的协调控制和低频电压补偿，另一路经过电压频率变换器，形成频率与给定信号成正比的控制脉冲。 根据给定频率，计算电压空间矢量相位，进行扇区判断，确定开关模式，然后计算矢量的作用时间，最后生成SVPWM波形。经过驱动电路，输出PWM脉冲，控制逆变器工作。,129,2扇区判断,130,131,132,3. SVPWM脉冲生成,133,134,135,136,137,