PWM控制技术.docx

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PWM控制技术

新型电源技术

课题报告

课题：

PWM电源控制技术

专业：

应用电子技术___班级：

_**__________

组长：

***___学号：

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组员1：

***_学号：

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组员2：

***____学号：

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组员3：

***__学号：

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指导教师：

___****______评分：

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一、设计的目的

随着电子技术的高速发展、电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益紧密，任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。

特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。

本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源.开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点，被称作高效节能电源。

由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想上设计一个基于PWM控制技术的开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。

1PWM控制的基本原理

理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图6-3用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

等幅PWM波和不等幅PWM波：

由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路，6.4节的PWM整流电路。

输入电源是交流，得到不等幅PWM波，如4.1节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频电路。

基于面积等效原理，本质是相同的。

PWM电流波：

电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：

等效直流波形

SPWM波：

等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

提高直流电压利用率和减少开关次数

直流电压利用率——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。

提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力；减少器件的开关次数可以降低开关损耗；正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度a为1时，输出相电压的基波幅值为Ud／2，输出线电压的基波幅值为

，即直流电压利用率仅为0.866。

这个值是比较低的，其原因是正弦调制信号的幅值不能超过三角波幅值，实际电路工作时，考虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措施，调制度不可能达到1。

采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比0.866还要低。

1、梯形波调制方法的思路

采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。

当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。

梯形波调制方法的原理及波形，见图6-15。

梯形波的形状用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。

s=0时梯形波变为矩形波，s=1时梯形波变为三角波。

梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波，低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为δ。

图6-16，δ和U1m/Ud随s变化的情况。

图6-17，s变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。

s=0.4时，谐波含量也较少，δ约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。

图6-15梯形波为调制信号的PWM控制

2、线电压控制方式（叠加3次谐波）

对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。

目标——使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。

直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压。

相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。

在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同。

合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。

如图6-18所示。

鞍形波的基波分量幅值大。

除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。

图6-18叠加3次谐波的调制信号

2、电压跟踪控制

采用滞环比较方式实现电压跟踪控制。

如图6-26所示。

把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关通断，从而实现电压跟踪控制。

和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈从电流变为电压。

输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。

图6-26电压跟踪控制电路举例

u*=0时，输出u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。

u*为直流时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。

u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制。

（1）三角波比较方式

基本原理：

不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是闭环控制。

把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，放大器A放大后，再和三角波进行比较，产生PWM波形。

放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。

图6-27三角波比较方式电流跟踪型逆变电路

特点：

开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便；为改善输出电压波形，三角波载波常用三相；和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流谐波少。

定时比较方式：

不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。

以固定采样周期对指令信号和被控量采样，按偏差的极性来控制开关器件通断。

在时钟信号到来时刻，如ii*，令V1断，V2通，使i减小。

每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。

采用定时比较方式时，器件最高开关频率为时钟频率的1/2，和滞环比较方式相比，电

流误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。

（2）PWM整流电路的控制方法

有多种控制方法，根据有没有引入电流反馈可分为两种：

没有引入交流电流反馈的——间接电流控制；引入交流电流反馈的——直接电流控制。

1、间接电流控制

间接电流控制也称为相位和幅值控制。

按图6-29a（逆变时为图6-29b）的相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。

图6-31，间接电流控制的系统结构图。

图中的PWM整流电路为图6-30的三相桥式电路。

控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。

控制原理：

和实际直流电压ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号id，id的大小和交流输入电流幅值成正比。

稳态时，ud=，PI调节器输入为零，PI调节器的输出id和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值对应。

负载电流增大时，C放电而使ud下降，PI的输入端正偏差，使其输出id增大，进而使交流输入电流增大，也使ud回升。

达到新的稳态时，ud和相等，id为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。

负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。

从整流运行向逆变运行转换

首先负载电流反向而向C充电，ud抬高，PI调节器负偏差，id减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。

稳态时，ud和仍然相等，PI调节器输入恢复到零，id为负值，并与逆变电流的大小对应。

控制系统中其余部分的工作原理

上面的乘法器是id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在Rs上的压降uRa、uRb和uRc

下面的乘法器是id分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前π/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感Ls上的压降uLa、uLb和uLc。

各相电源相电压ua、ub、uc分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压uA、uB和uC的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。

存在的问题：

在信号运算过程中用到电路参数Ls和Rs，当Ls和Rs的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果；基于系统的静态模型设计，动态特性较差；应用较少。

2、直接电流控制

通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值，因此称为直接电流控制。

有不同的电流跟踪控制方法，图6-32，一种最常用的采用电流滞环比较方式的控制系统结构图。

控制系统组成

双闭环控制系统，外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环

外环的结构、工作原理和图6-31间接电流控制系统相同。

外环PI的输出为id，id分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号，和，和

分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比，指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。

优点：

控制系统结构简单，电流响应速度快，系统鲁棒性好；获得了较多的应用。

小结

a、PWM控制技术的地位

PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

b、器件与PWM技术的关系

IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件给PWM控制技术提供了强大的物质基础。

c、PWM控制技术用于直流斩波电路

直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统构成广泛应用的直流脉宽调速系统。

d、PWM控制技术用于交流—交流变流电路

斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表,目前应用都还不多,但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景.

e、PWM控制技术用于逆变电路

PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。

正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。

除功率很大的外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。

第5章因尚未涉及PWM控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的。

学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。

f、PWM控制技术用于整流电路

PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。

可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。

PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。

PWM整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。

g、PWM控制技术与相位控制技术

以第2章相控整流电路和第4章交流调压电路为代表的相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要地位。

以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位，分别简称相控和斩控。

把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。