PWM控制的原理與方法

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。

　　采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)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(shí),其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。　　

　　根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn),到目前為止主要有以下8類方法:

　　等脈寬PWM法

　　VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的,是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對(duì)于PAM法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量.

　　隨機(jī)PWM

　　在上世紀(jì)70年代開(kāi)始至上世紀(jì)80年代初,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管,載波頻率一般不超過(guò)5kHz,電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注.為求得改善,隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱.正因?yàn)槿绱?即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天,對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值;另一方面則說(shuō)明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析,解決這種問(wèn)題的全新思路.

　　SPWM法

　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)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(shí),其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案.

　　等面積法

　　該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中,通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷,以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn).

　　硬件調(diào)制法

　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),所得到的就是SPWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制.

　　軟件生成法

　　由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法.

　　自然采樣法

　　以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)控制.

　　規(guī)則采樣法

　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的,這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣. 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小.