pwm控制技術(shù)論文

pwm控制技術(shù)論文

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pwm控制技術(shù)論文篇一

簡介：

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需的波形(含形狀和幅值)。通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛的應(yīng)用于電動機的調(diào)速和閥門控制，比如電動車電機調(diào)速就是使用這種方式。

脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。

關(guān)鍵詞：PWM;電力;計算機

關(guān)于PWM技術(shù)

基本原理：

采樣控制理論中有一個重要的理論：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。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸入波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻略有差異。(面積等效原理)這是PWM控制技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。

特點：

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特點是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾(EMD)源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號會變得更加強烈和復(fù)雜。

優(yōu)點：

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。可將噪聲影響降到最低。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。

由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類：

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正弦PWM(包括電壓、電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類)。

正弦PWM已為人們所熟知。旨在改善輸出電壓、電流波形、降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢。

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優(yōu)化PWM

優(yōu)化PWM所追求的是實現(xiàn)電流諧波畸變率(THD)最小、電壓利用率最高、效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。

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隨機PWM

SPWM(正弦脈寬調(diào)制)

引言：

工程實際中應(yīng)用最多的是正弦PWM法(簡稱SPWM),它是在每個周期內(nèi)輸出若干個寬窄不同的矩形脈沖波，每一矩形波的面積近似對應(yīng)正弦波各相應(yīng)每一份的正弦波形下的面積可用一個與該面積相等的矩形來代替，于是正弦波形所包圍的面積可用這N個等幅不等寬的矩形脈沖面積來等效。各矩形脈沖的寬度可自由理論計算得出，但在實際應(yīng)用中常由正弦調(diào)制波和三角形載波相比較的方式來確定脈沖：因為等腰三角形波的寬度自上向下是線性變化的，所以當(dāng)它與某一光滑曲線相交時，可得到一組幅值不變而寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。若使脈沖寬度與正弦函數(shù)值成比例，則也可以生成SPWM波形。

在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈沖調(diào)制。

1.單極性SPWM法

(1)調(diào)制波和載波：曲線①是正弦調(diào)制波，其周期決定于需要的調(diào)頻比kf，振幅值決定于ku,曲線②是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調(diào)制波的振幅值，每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同(即單極性)。

調(diào)制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。 (2)單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止;而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流

2.雙極性SPWM法

(1)調(diào)制波和載波：

雙極型控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋壁中的兩只元件均處于開關(guān)狀態(tài)，但他們之間的關(guān)系是互補的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情況。

調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線①，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時正弦波的振幅值相等。 調(diào)制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。

(2)雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流

SPWM生成方法：

正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種生成方式?？捎媚M電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對功率開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)負(fù)載，難以實現(xiàn)精確的控制。微機控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成的SPWM波形變得比較容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機來實現(xiàn)。

實施要求：

(1)必須實時地計算調(diào)制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐標(biāo)，根據(jù)計算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動作指令。

(2)調(diào)節(jié)頻率時，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時改變(改變的規(guī)律本文不作介紹);另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，所交點的時間坐標(biāo)都必須重新計算。 要滿足上述要求，只有在計算機技術(shù)取得長足進步的20世紀(jì)80年代才有可能，同時，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經(jīng)有能夠產(chǎn)生滿足要求的SPWM波形的專用集成電路了。

應(yīng)用簡介

具體應(yīng)用：

SA8281型SPWM波發(fā)生器原理及在變頻器中的應(yīng)用

脈寬調(diào)制技術(shù)通過一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，用以近似正弦電壓波形。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用對現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到極大的促進作用。近幾年來，由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)的高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發(fā)生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內(nèi)置波形ROM及相應(yīng)的控制邏輯，設(shè)置完成后可以獨立產(chǎn)生三相PWM波形，只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預(yù)，微處理器只用很少的時間控制它，因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢測。保護和控制等?；赟A8281和89C52的變頻器具有電路簡單。功能齊全。性能價格比高?？煽啃院玫葍?yōu)點。

單片機生成：

市場上使用的很多單片機都有生成SPWM控制波形的功能，該生成波形外接驅(qū)動電路即可驅(qū)動功率橋，達到逆變的目的。應(yīng)該說，只要具有PWM模塊和定時器模塊的單片機都可以完成此任務(wù)。

具體實現(xiàn)即首先將正弦表賦值給數(shù)組。然后PWM波形發(fā)生模塊每個PWM周期進入中斷，在ISR中按照正弦表更改PWM比較器的值，依次循環(huán)即可。

總結(jié)：

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前應(yīng)用較廣泛的PWM法。它是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制的脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛的應(yīng)用于直流交流逆變器等，三相SPWM是使用SPWM模擬市場的三相輸出，在變頻領(lǐng)域被廣泛的采用。

SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)篇二

引言：

SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。空間電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，相對于傳統(tǒng)的SPWM方法，其功率器件的開關(guān)次數(shù)可減少1/3，直流電壓利用率可提高15%，轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低，諧波抑制效果好，且易于數(shù)字化實現(xiàn)。

SVPWM的主要思想是以三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以所形成的實際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫰錅?zhǔn)確磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM方法從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正弦波電源，而SVPWM方法將逆變系統(tǒng)和異步電機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制。

原理：

SVPWM的原理是利用逆變器各橋臂開關(guān)控制信號的不同組合，使逆變器的輸出電壓矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM技術(shù)應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中不但改善了脈寬調(diào)制((PWM)技術(shù)存在電壓利用率偏低的缺點，而且具有轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低等優(yōu)點。普通的三相全橋是由六個開關(guān)器件構(gòu)成的三個半橋。這六個開關(guān)器件組合起來(同一個橋臂的上下半橋的信號相反)共有8種安全的開關(guān)狀態(tài). 其中000、111(這里是表示三個上橋臂的開關(guān)狀態(tài))這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流。因此稱其為零矢量。另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是六個有效矢量。它們將360度的電壓空間分為60度一個扇區(qū)，共六個扇區(qū)，利用這六個基本有效矢量和兩個零量，可以合成360度內(nèi)的任何矢量。

當(dāng)要合成某一矢量時先將這一矢量分解到離它最近的兩個基本矢量，而后用這兩個基本矢量去表示，而每個基本矢量的作用大小就利用作用時間長短去代表。用電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量。從而保證生成電壓波形近似于正弦波。

在變頻電機驅(qū)動時，矢量方向是連續(xù)變化的，因此我們需要不斷的計算矢量作用時間。為了計算機處理的方便，在合成時一般是定時器計算(如每0.1ms計算一次)。這樣我們只要算出在0.1ms內(nèi)兩個基本矢量作用的時間就可以了。由于計算出的兩個時間的總和可能并不是0.1ms(比這小)，而那剩下的時間就按情況插入合適零矢量。 由于在這樣處理時，合成的驅(qū)動波形和PWM很類似。因此我們還叫它PWM，又因這種PWM是基于電壓空間矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。

基本電壓空間矢量：

當(dāng)三相逆變器(180導(dǎo)通方式)對PMSM供電時，定子電壓由逆變器三組6個功率管的開關(guān)狀態(tài)確定。 由逆變器各橋臂不同的開關(guān)狀態(tài)，可以得到8個基本電壓矢量，包括2個零矢量和6個非零電壓矢量。6個非零矢量的幅值相同，相鄰的矢量互差60°每個矢量長度均等于2Udc /3。(0 0 0)和(1 1 1)兩個狀態(tài)矢量為零矢量，其長度等于零，位于坐標(biāo)原點。這8個空間矢量被稱為基本電壓空間矢量，分別記為Uo、 U1、U2、U3、U4、U5、U6、O、和Om.

SVPWM控制原理

1.SVPWM的控制算法

SVPWM控制算法的思想是:當(dāng)三相交流對稱正弦電壓對電機供電時，交流電機在空間中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。若以交流電機中的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)圓，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓，即用正多邊形磁鏈近似圓形磁鏈，以形成旋轉(zhuǎn)磁場，就可以達到控制電機的目的。

2. 磁鏈軌跡的控制

SVPWM方法的目的是用基本空間電壓矢量來逼近電機所需的電壓矢量UOUT，一般所用方法是在一個采樣周期TPWM內(nèi)使逆變器輸出電壓的平均值跟UOUT相等。如圖2所示，UOUT可由兩相鄰非零基本空間電壓矢量Ux和Ux60的線性時間組合來得到。

3. 空間電壓矢量的扇區(qū)判定

6個非零電壓空間矢量將空間分為6個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個扇區(qū)號，如圖1中的I，II，III，IV，V，VI。如果知道了UOUT所在的扇區(qū)，就能確定用來合成UOUT的2個相鄰的基本電壓空間矢量。

4. SVPWM輸出模塊

將三角波與矢量的切換點比較，利用滯環(huán)控制實現(xiàn)SVPWM信號。當(dāng)矢量的切換點與三角波進行比較時，若其差值大于滯環(huán)比較器所定義的滯環(huán)寬度，逆變器所對應(yīng)的功率開關(guān)器件正向?qū)?，?fù)向關(guān)斷;反之，若差值小于滯環(huán)寬度時，功率開關(guān)器件狀態(tài)不變。從而生成三相橋臂逆變器功率開關(guān)器件的6組控制信號。

SVPWM的主要特點有：

(1)在每個小區(qū)間雖有多次開關(guān)切換，但每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗小。

(2)利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單。

(3)逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15%。

總結(jié)：

SVPWM控制主要是當(dāng)三相交流對稱正弦電壓對電機供電時，交流電機在空間中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，本文通過對SVPWM算法控制來進行分析，使其能夠向逆變器按時輸出SVPWM

SVPWM與PWM、SPWM的比較：

PWM：脈沖寬度調(diào)制(PWM)，晶體管(常用MOS、IGBT等全控型器件)工作在開關(guān)狀態(tài)，晶體管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機上;晶體管關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開;這樣通過改變晶體管的導(dǎo)通時間(即調(diào)占空比ton)就可以調(diào)節(jié)電機電壓，從而進行調(diào)速。 對比SVPWM的產(chǎn)生原理可知，SVPWM本身的產(chǎn)生原理與PWM沒有任何關(guān)系，只是形似。 SPWM：正弦波脈寬調(diào)制，將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號Ut與一組三相對稱的正弦參考電壓信號Ura、Urb、Urc比較后，產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda 、Udb、Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時所要求的正弦波，調(diào)節(jié)正弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)節(jié)SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。

SVPWM與SPWM的原理和來源有很大不同，但是他們確實殊途同歸的。SPWM由三角波與正弦波調(diào)制而成，而SVPWM卻可以看作由三角波與有一定三次諧波含量的正弦基波調(diào)制而成，這點可以從數(shù)學(xué)上證明。

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