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基于MATLAB的脉宽调制(PWM_SPWM_SVPWM).pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.90M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第1章 绪论 1.1 脉宽调制技术的研究背景——电气传动的发展 随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及材料技术尤其是永磁材料技术 的进步，电气传动系统，包括交、直流电动机调速及伺服系统，正在向系统高性 能、控制数字化、一体化机电的方向发展。直流传动系统控制简单、调速特性好， 一直是调速传动领域中的重要组成部分。现代的直流传动系统的发展方向是电动 机主极永磁化及换向无刷化，而无刷直流电动机正是在这样的趋势下所发展起来 的 机 电 一 体 化 电 动 机 系 统 。 一 般 意 义 上 的 无 刷 直 流 电 动 机 (Bruhless DC Motor,BLDCM)是指方波无刷直流电动机，其特征是只需简单的开关位置信号即可 通过逆变桥驱动永磁电动机工作。1975 年无刷直流电动机首次出现在 NASA 报告 中。之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率、全控型 功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速的发展。1977 年，出现了采 用钐钻永磁材料的无刷直流电动机。之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采 用高磁能积、高矫顽力、低成本的第三代 NdFeB 永磁材料，且采用霍尔元件作位 置传感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出转矩，使其更加实用。1986 年， H.R.Bolton 对方波无刷直流电动机系统进行了全面的总结，这标志着方波无刷直流 电动机系统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟。近年来，虽然永磁直流电动 机也随着永磁材料技术的发展而得到了性能的提高，依然在直流传动系统中被广 泛应用，但直流传动系统已经处于无刷直流电动机大规模普及与应用的阶段。 现代交流传动系统已经由感应电动机为主发展为多机种，尤其是以永磁同步 电动机的发展最为显著。一方面，由感应电动机构成的交流调速系统性能依然不 断提高，变压变频(VVVF）技术及矢量控制技术完全成熟。通过模仿直流电动机 中转矩控制的思路，采用坐标变换，把交流感应电动机的定子电流分解成励磁分 量和转矩分量，并通过对磁通和转矩的独立控制、使感应电动机获得类似直流电 动机的控制特性。近年来又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，从而使 交流调速控制有了突破性的发展，并出现了一系列用于交流调速系统的高性价比 的通用变频器。 另一方面，永磁同步电动机调速及高性能伺服技术发展迅速，应用功率范围 不断扩大。永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)，又被 称为正弦波无刷直流电动机系统，实际上为带有位置传感器的、由逆变器驱动的
    永磁同步电动机系统。其反电势波形为正弦波，相应的绕组电流也为正弦波。关 于永磁同步电动机的研究主要集中于电动机的新型结构形式、气隙磁场的设计、 计算和绕组电流的控制。其中，绕组电流的控制为大部分文献研究的焦点。1982 年，G.P.Fatt 从理论上指出了两种有效获得正弦绕组电流的方法，即静止坐标系下 的电流控制方法，它包括电流调节型 SPWM 控制方法（CRPWM）和电流滞环控 制方法，指出了其应用范围，并加以实验验证。至今，这两种方法在永磁同步电 动机系统中得到了最广泛的应用。1987 年，P.Pillay 对方波无刷直流电动机和正弦 波无刷直流电动机系统进行了全面的对比，在总结正弦波无刷直流电动机各种研 究成果的基础上，提出了基于旋转坐标系下的正弦波无刷直流电动机系统绕组电 流控制方法：id、iq 法。此后的研究虽然在控制手段上不断改进，但控制方法没有 本质的突破。一般实现电流控制的手段有模拟方法、模拟数字混合方法、全数字 方法等，并在逐步向全数字控制方向发展。 感应电动机和永磁同步电动机系统相比较，无论是在效率、功率密度等各方 面，永磁同步电动机系统均具有相当优势。因此，交流永磁同步电动机在交流传 动系统中的应用范围会继续扩大。 综上所述，高性能直流传动系统在向方波无刷直流电动机为主的方向发展， 而方波无刷直流电动机在向电流正弦化的方向发展；同时，高性能交流传动系统 在向交流永磁同步电动机系统为主的方向发展，而永磁同步电动机系统也在向无 位置检测或位置检测简易化的方向发展。由于二者的电动机本体均为永磁同步电 动机，且系统结构大致相同，因此交、直流之分越来越模糊，二者的发展方向相 同，概念趋向一致。在电动机理论和其他相关技术发展的推动下，“无刷直流电动 机”的概念已由最初特指具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具备有刷直 流电动机外部特征的由驱动器驱动的永磁同步电动机。无刷直流电动机或永磁同 步电动机的发展亦促使电动机理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、 现代控制理论及高性能材料的紧密结合。如今，无刷直流电动机或永磁同步电动 机系统集特种电动机、变流机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一 代的一体化电动机系统，体现着当今应用科学的最新成果，是机电一体化的高技 术产物。 1.2 脉宽调制技术的发展 随着全控型功率电子器件的发展，脉冲调宽（PWM）技术与开关功率电路成 为主流技术，在功率应用中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通
    损耗，提高驱动效率。在 PWM 技术中，功率器件工作在开关饱和导通状态，通过 改变功率器件的驱动脉冲信号的开通与关断的时间，来改变加在负载两端的平均 电压的大小。当负载为直流电动机时，也就实现了电动机的调压调速控制，这也 就是 PWM 控制的基本原理。改变脉冲信号的开通、关断时间有两种基本方式。一 种方式是将脉冲信号的开关频率及周期 Ts 固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变 负载的平均电压，这就是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）。另一种方 式是将脉冲信号的导通宽度固定，通过改变开关频率及周期 T 来改变负载的平均 电压，这就是脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）。由于 PFM 控制是 通过改变脉冲频率来实现平均电压的调节的，频率变化范围较大。在频率较低时， 往往人耳所感觉到的电磁噪声较高；而在频率较高时，会导致功率器件开关损耗 的增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。最严重的情况是，在某些特殊频 率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生振荡和出现音频啸叫声。而在 PWM 控制中，由于脉冲频率固定，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有 利于消除系统中由于功率器件开关所导致的固定频率的电磁干扰。因此在电气传 动领域内 PWM 控制技术成为应用的主流。在交流电气传动中，脉宽调制技术用于 产生单相或三相交流电即实现逆变，控制信号变为幅值和频率均可变化的周期信 号。在各种形式的周期控制信号中，正弦波控制信号应用最为普遍，因此一般统 称为正弦波脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM）。传统的 SPWM 技术多采用模拟技术来实现，即脉宽调制信号的获得是通过三角波与所希望的调 制函数直接比较而获得。随着高性能的交流伺服驱动系统的全数字控制的发展， 要求用数字方法来实现脉宽调制。纵观现有的文献，数字脉宽调制方法多采用规 则采样技术，通过三角载波与所希望的调制函数的比较获得数学方程式，PWM 信 号则是通过对规则采样技术获得的数学方程式的计算获得的。这种数字脉宽调制 方法是对模拟自然采样的三角波——正弦波（SPWM）方法的近似：虽然还存在 一些 SPWM 优化算法，诸如谐波型 SPWM 技术以及准最优 SPWM 技术等，但算 法复杂，计算时间增加，应用较少。 而近年来出现的空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，相应的数字计算方法形 成的脉宽调制信号与传统的 SPWM 信号相比，具有更多优点。因此空间矢量脉宽 调制技术在交流电动机驱动系统中得到了广泛的应用。
    2.1 概述 第2章 PWM 控制的原理介绍 PWM（Pulse Width Modulation）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制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。 2.2 PWM 控制技术分类 1)正弦 PWM（SPWM）； 2)特定谐波消除 PWM（SHEPWM）； 3)最小纹波电流 PWM； 4)空间矢量 PWM（SVM）； 5)随机 PWM； 6)滞环电流控制 PWM； 7)瞬时电流控制正弦 PWM； 8)Delta 调制 PWM； 9)Sigma-Delta 调制 PWM。 通常 PWM 技术可以按电压控制或电流控制来分类，或按前馈方式或反馈方式 来分类，也可以按基于载波或不基于载波来分类。本论文主要围绕其中的 SPWM， SVPWM，滞环电流控制 PWM 三种 PWM 控制方法展开介绍，并进行对比。 2.3 PWM 控制的基本原理及其理论基础 在采样控制理论中有一个重要的结：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基 本相同，是指环节的输出响应波形的基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换 分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图 2.1 所示的三个窄脉冲 形状不同，其中图 2.1a 为矩形脉冲，图 2.1b 为三角形脉冲，图 2.1c 为正弦半波脉 冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个 环节上时，其输出相应基本相同。当窄脉冲变为图 2.1d 的单位脉冲函数 时， 环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 )(t
    图 2.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 a） 矩形脉冲 b）三角形脉冲 c）正弦半波脉冲 d）单位脉冲函数 图 2.2a 的电路是一个具体的例子。图中 为电压窄脉冲，其形状和面积分 别如图 2.1 的 a、b、c、d 所示，为电路的输入。该输入加载可以看成惯性环节的 电路上，设其电流 为电路的输出。图 2.2b 给出了不同窄脉冲时 的响应波形。 从波形可以看出，在 的上升段，脉冲形状不同时 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 波形的差异也越小。如果周期性地施加 上述脉冲，则响应 也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各 在低 频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM 控制技术的重要理论基础。 图 1.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 a）电路 b）响应波形 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 把图 2.3a 的正弦半波分成 等分，就可以吧正弦半波看成是由 个彼此相连 的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ，但幅值不等，且脉 冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉 冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应 正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等， 就得到图 2.3b 所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲的幅值相 等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等 效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这样脉冲宽 )(teLR-)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(tippp
    度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM 波形。 要改变等效输出正弦波的幅值是，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的 宽度即可。 PWM 波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种。由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波；由交流电源产生的 PWM 波通常是不等幅波。不管 是等幅 PWM 波还是不等幅 PWM 波，都是基于面积等效原理进行控制的，因此其 本质是相同的。 图 2.3 用 PWM 波形代替正弦半波 a） 正弦半波 b）脉冲序列 如图 2.4 把所希望的波形作为调制信号 ，把接受调制的信号作为载波 ， 通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形 。 图 2.4 脉冲调制电路 通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系 且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻就可以 得到宽度正比于调制信号波幅度的脉冲。 rucuGu
    第3章 正弦脉冲宽度调制 SPWM 基本原理 3.1 概述 为了阐述明白 SPWM 的原理，下面先介绍简单的单相桥式逆变电路。逆变器 理想的输出电压是如图 3.1b 所示的正弦波 。将图 3.1b 正弦波半 个周期 均分 个相等的时区，图中 ，每个时区的时间 对应 的时区宽度为 ，第 个时区 的终点时间为 ，起点时间为 ，第 个时区的中心点相位角 为： (3.1) 图 3.1 用 SPWM 电压等效正弦电压 a) 逆变电路 b)正弦电压 c)SPWM 电压等效电压 图 3.1b 中当时区数 很大时，正弦波 可以看作是由正、负 tUtumsin)(1p6p62TTs61222sssTfTksTskTsTk1kksskkTkTt21ptUtumsin)(1
    半波各有 个等宽（ ）但不等高（高度为 ）的不连续脉波电 压○1 、○2 、○3 、„、○11、○12组成。图 3.1a 中逆变电路的输入电压是直流电压 ， 依靠开关管的通、断状态变换，逆变电路只能直接输出三种电压值 、0、 。 对单相桥式逆变器四个开关管进行实时、适式的通、断控制，可以得到图 3.1c 所 示在半个周期中有个多脉波电压的交流电压 。图中正、负半周范围也被分为 个（ ）相等的时区，每个时区宽度为 ，每个时区有一个幅值为 、 宽度为 的电压脉波，相邻两脉波电压中点之间的距离相等（ ），6 个 脉波电压的高度都是 ，但宽度不同，宽度分别为 、 、 、 、 、 。如 果要图 3.1c 中任何一个时间段 中的脉宽为 、幅值为 的矩形脉冲电压 等 效于图 3.1b 中该时间段 中正弦电压 ，首要的条件应该是在该 时间段 中，两者对电压对时间的积分值，即电压和时间乘积所相当的面积相等。 即： 即： (3.2) (3.3) 由图 3.1c 可知，(3.3)式左边为第 个逆变电压脉波的积分值，其电压幅值为 、作用时间为 ，对应的脉波电压宽度 ， ；(3.3)式右边式 中的 是(3.1)式的 ，即第 个时区中心点的相位角 ，因此有(3.3) 式可得到： 如果半个周期 中脉波数 很多，即 ， ，则： (3.4) 则(3.4)式为： ppstUmsin1dUdUdUabup6p6pdUk6pdU123456sTkdUabusTtUtumsin)(1sTssmkTTkmkTTkabkdkTTkUdttUdttuTUsssscos1cos)sin()(1)1(1)1(sssmkdTkTTUTU21sin21sin21kdUkTkkTkkTssTkT21kkkkmskdkdUTUTUsin21sin2112TpTTs1TTSTTTTTfTsssssin221sin21sinkmskmskdkdUTUTTUTUsinsin2111
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