关于PWM技术及其数字化实现的读书报告.docx

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关于PWM技术及其数字化实现的读书报告

关于PWM技术及其数字化实现的读书报告

1.前言

PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调试，来等效地获得所需要的波形。

通过阅读有关文献了解到PWM控制技术在电力电子领域有着广泛地应用，并对电力电子技术产生十分深远的影响，所以本次读书报告就PWM技术进行相关的综述并对未来PWM技术发展方向即数字化实现展开了论述。

2.PWM控制技术分类

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

随着电压型逆变器在高性能电力电子装置中的应用越来越广泛，譬如交流传动，不间断电源和有源滤波器，PWM控制技术作为这些系统的共有及核心技术，引起人们的高度重视，并得到越来越多人的研究。

我们将PWM控制技术分为三大类：

正弦PWM（包括以电压、电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案）、优化PWM及随即PWM。

在这里我们以正弦PWM技术中的SPWM和SVPWM进行侧重介绍并比较优缺点。

2.1电压正弦PWM技术

正弦PWM的信号波为正弦波,就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。

正弦波波形产生的方法有很多种,但较典型的主要有:

对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。

第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小,所以变频器的输出电压达不到直流侧电压的倍；第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波,显然输出电压高于前者,但对于微处理器来说,增加了数据处理量当载波频率较高时,对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的,它兼顾了前两种方法的优点.SPWM虽然可以得到三相正弦电压,但直流侧的电压利用率较低,最大是直流侧电压的倍,这是此方法的最大的缺点。

图1单极性PWM控制方式波形

图2双极性PWM控制方式波形

SPWM脉冲生成原理如图1的单极性PWM控制方式波形和图2的双极性PWM控制方式波形所示。

将一个正弦信号作为基准调制波,与一个高频等腰三角载波进行比较,得到一个等距、等幅但宽度不同的脉冲序列。

脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时,脉冲的宽度也最大,而脉冲间的间隔则最小；反之,当正弦值较小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔则较大,这就是SPWM脉冲。

用6个SPWM脉冲序列分别控制6个IGBT导通或者截至,便能在三相定子绕组上得到交流信号。

2.2磁通正弦PWM技术

磁通正弦PWM（即空间电压矢量PWM法）和电压正弦PWM不同，SPWM调制是从三相交流电源出发,其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源，而SVPWM是从电机的角度出发的，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。

SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体,用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量,建立逆变器功率器件的开关状态,并依据电机磁链和电压的关系,从而实现对电动机恒磁通变压变频调速.若忽略定子电阻压降,当定子绕组施加理想的正弦电压时,由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量,故气隙磁通以恒定的角速度旋转,轨迹为圆形。

图3三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图

以三相异步电动机为例，如图三所示，采用180℃导通方式，则对三相开关的导通情况进行组合，共有八种状态，为6个有效工作矢量和2个零矢量，即表1所示。

随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转π/3，直到一个周期结束。

这样，在一个周期中6个电压空间矢量共转过2π弧度，形成一个封闭的正六边形。

在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。

表1三相开关的开关状态

如图4所示，可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅵ，每个扇区对应的时间均为p/3。

由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。

并且用相邻的两个有效工作矢量，可以合成任意的期望电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。

开关周期越小，旋转磁场越接近与圆。

图4电压空间矢量六边形

2.3SPWM和SVPWM的比较

常规的SPWM用三角波和堆成的三相正弦波比较生成PWM波，这是一种相电压控制方式，其逆变器输出的最大基波相电压的幅值为

，由于调制度M可定义为

则得到SPWM方式最大调制度

。

采用空间矢量脉宽调制输出的基波相电压最大电压幅值为

，则SVPWM方式最大调制度

。

这是因为常规的SPWM法，其三相系统的中点电位固定。

而注入零序分量后，相电压波形不再是正弦，中点点位发生浮动，使M可以超过1。

这也就说明SVPWM具有最高直流电压利用率，SVPWM比SPWM的电压利用率高15%。

典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后，进行规则采样的结果。

SVPWM和SPWM不是两种孤立的调制方式，他们之间有着内在的联系。

反之，一些性能优越的SPWM方式也可以找到与之对应的SVPWM算法。

只不过SVPWM更适合于数字化控制系统。

具体用哪一种则根据实际情况决定。

当然，以微控制器为核心的数字化控制系统是发展趋势，所以SVPWM应是优先的选择。

3.PWM技术的数字化实现

如前所述，电压SPWM技术可以由模拟电路、数字电路或大规模集成电路芯片来实现。

采用模拟电路时，由振荡器分别产生正弦波和三角波信号，然后通过比较器来确逆变器某一桥臂开关器件的开通和关断。

这种传统的做法，使系统的器件过多，控制线路复杂，精度也难以保证。

目前，由于微处理器的速度和精度在不断提高，PWM技术和数字控制技术的结合已经是现代PWM技术研究的方向。

数字PWM技术以其控制灵活、高效节能等优势，被广泛应用于分时多路复用系统、射频传输、光数据存储器、通信系统、数字化音频系统和异步电机高性能调速控制系统中。

它克服了模拟调试中的不足，实现了调制过程的全数字化，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件或调制算法来实现多种方案及完成对不同领域的控制，提高了控制的可靠性和精度，实现了控制的灵活性。

数字化PWM技术是通过用不同的调制算法或调制电路，将输入的数字信号转换成不同调制形式的PWM脉冲信号，并通过控制脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到调节电压、频率及控制和消除谐波的目的。

同时，数字化PWM的实现方法发展迅速，典型的有自然采样法和规则采样PWM两种方法。

在数字化PWM方法中，三角波和正弦波的交点时刻可转化为一个采样周期内对输出脉冲宽度时间及间隙时间的计算，由计算机来完成，时间的改变可通过定时器来完成。

自然采样PWM虽然是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波，可真实地反映上述控制规律，但是脉冲宽度

是一个超越方程，在采用微机控制技术时需要计算机迭代求解，花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算。

当然也可以把事先计算出来的数据放在计算机内存中，利用查表的方法输出PWM波形。

但频率范围变化很大时，将占用大量内存，因而在工程上实际应用不多。

规则采样PWM法是一种应用较广的工程实现方法，是对自然采样的简单近似，但计算量却比自然采样法小得多。

图5即为规则采样PWM的说明图。

图5规则采样PWM说明图

取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点）为对称。

在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻

和B点时刻

控制功率开关器件的通断。

用这种规则采样法得到的脉冲宽度

和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近，此时脉冲宽度为

或

但此时的

、

为已知，因此，可用计算机快速计算出每相的脉宽和间隙时间。

此方法具有容易实现、计算简单、控制线性度好等优点。

4.自我总结

在本月中我最初阅读的是一些电力电子与电力传动专业相关学报的综合性文献，以便快速了解所学专业的研究领域和研究方向，也由此了解到PWM技术对电力电子行业的重要性和未来的决定性，因此才查阅了相关文献对PWM技术进行分类，并详细介绍了最基本的SPWM和现在用处很广的空间矢量调节即SVPWM。

同时，PWM技术与数字控制技术的结合即实现PWM的全数字化实现是当今也是未来的发展方向的重点。

我这个月所了解的只是PWM技术的一些基础的东西，尤其是利用微处理器使PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪声等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程，譬如现在的准优化PWM技术和无差拍控制PWM技术都是较为简单实用的数字化PWM方案，这都需要以后我去慢慢的接触、了解和吸收。

对于SVPWM，零序分量的加入也是研究的一个重点。

SVPWM的零矢量分配为其提供了一个额外的自由度。

取零矢量分配因子k。

为幅值为1的正函数，可以得到任意的零矢量分配方式，从而获得不同的开关信号波形，这使SVPWM不仅可以将不连续调制方式与连续调制方式统一起来，并提供了一种有规律的不连续调制方式。

在不连续调制方式下，根据具体情况控制切换时间，能最大限度地降低开关损耗。

由此而演变出的基于空间电压矢量的最小开关损耗PWM技术也是今后需要了解和掌握的一个重点，特别是现代电力电子装置向高频化发展过程中，在不增加硬件投资的情况下，采取一种能降低开关损耗的控制方法对提高整个装置的效率是很有意义的。

以上就是10月份的读书情况，有太多太多的不足，望老师批评指正。

参考文献

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【2】李永东.异步电机数字控制系统.第二版.北京：

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【9】张兴,张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[期刊论文]-中国电机工程学报，2001,21（10）

【10】薛毓强,刘斌.基于空间矢量PWM技术的零矢量分配问题分析[期刊论文]-电机与控制学报学报，2010,14（8）

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