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            SPWM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用

            作者: 時間:2011-05-29 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
            SPWM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用
            1、 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)的理論基礎(chǔ)
            采樣控制理論中有一個重要結(jié)論:形狀不同但面積相等的窄脈沖
            加之于線性環(huán)節(jié)時,得到的輸出效果基本相同。如圖所示,分別是矩
            形、三角形、正弦半波窄脈沖和理想單位脈沖函數(shù)為波形的電壓源
            u(t) 施加于R、L負載上的情況,當負載時間常數(shù)遠大于激勵脈沖持續(xù)
            時間時,響應(yīng) i(t) 基本一致,只在上升段有所不同。由于響應(yīng)持續(xù)時
            間較長的下降段體現(xiàn)了低頻成份,持續(xù)時間短的上升段體現(xiàn)了響應(yīng)的
            高頻分量,因此各個響應(yīng)按傅里葉分析在低頻段基本一致,差別存在
            于高頻段。當激勵脈沖越窄(或負載慣性常數(shù)與脈沖持續(xù)時間相差越
            大),則響應(yīng)的高頻段所占比例愈小,整個響應(yīng)愈相近。

            線性系統(tǒng)周期性窄脈沖群的響應(yīng)可以等效為各個窄脈沖相應(yīng)的疊
            加,這樣某一以時間為自變量的激勵函數(shù)加在慣性環(huán)節(jié)上的響應(yīng)可以
            被等效為按時間段與之面積相等的窄脈沖序列加在同一環(huán)節(jié)上得到的
            響應(yīng)。
            利用等面積序列脈沖等效正弦半波相應(yīng)時間段的面積就形成了
            一系列脈寬隨正弦波瞬時值變動的脈沖序列--即SPWM波,如圖所
            示。開關(guān)功率變換器輸出為脈沖函數(shù),利用高頻SPWM波施加于負
            載,并配置低通濾波環(huán)節(jié)就能夠產(chǎn)生需要的低頻正弦響應(yīng)--即
            SPWM 調(diào)制技術(shù)的基本原理與方法。
            2、自然采樣法--產(chǎn)生SPWM波的基本方法
            按照三角波(或鋸齒波、統(tǒng)稱為載波)與正弦波(調(diào)制波)比較,產(chǎn)生SPWM脈沖序列的方法稱為自然采樣法。
            正弦波在不同相位角時其值不同,與三角波相交所得脈沖寬度也不同;
            當正弦波頻率變化和幅值變化時,各個脈沖寬度也相應(yīng)發(fā)生變化。
            利用可以方便的實現(xiàn)這個功能,將正弦波與三角波施加于比較器的兩個輸入,其輸出即為SPWM波,因此這種方法在模擬控制方式中比較常用,但作為數(shù)字控制時由于計算工作量大,一般不常用。
            自然采樣法示意:
            uc為三角載波,周期為Tc
            us為正弦調(diào)制波,周期為Ts
            當 us> uc 時,輸出+Uo
            當 us uc 時,輸出-Uo
            一般有:Ts>> Tc
            usm≤ ucm

            3、規(guī)則采樣法(自然采樣法的改進--適合數(shù)字控制)
            規(guī)則采樣法的原理
            以載波周期谷點時刻調(diào)制波瞬時值為整個載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅
            值,這樣調(diào)制波與與載波比較得到SPWM信號的方法稱為規(guī)則采樣法。
            規(guī)則采樣法的特點
            (1)相當于以載波周期谷點時刻調(diào)制波瞬時值為基準的階梯波代替正
            弦調(diào)制波來產(chǎn)生SPWM波;
            (2)在數(shù)字控制系統(tǒng)中,SPWM信號由計算機產(chǎn)生,各個脈沖起始與
            終止時刻需要實時計算或查表,采用這種方法計算工作量大為減
            小,因此,在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
            規(guī)則采樣法示意:
            uc為三角載波,周期為Tc
            us為正弦調(diào)制波,周期為Ts
            以載波周期谷點時刻調(diào)制波瞬時值
            為整個載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅值us(t0)
            當 us> uc 時,輸出+Uo
            當 us uc 時,輸出-Uo

            4、雙極性SPWM控制逆變的原理與分析(自然采樣法的應(yīng)用)
            (1)引入一個固定頻率、固定幅值的三角波uc--三角載波。
            (2)引入一個與輸出頻率相同、幅值不超過三角波的正弦波us--
            調(diào)制波。
            (3)將調(diào)制波與三角載波進行比較,輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律
            變化的方波-- SPWM波,用來控制橋式逆變器的兩組開關(guān)。
            (4)控制方法:
            Us> Uc 時,VT1、VT3導(dǎo)通,VT2、VT4關(guān)斷,輸出電壓+Ud
            Us Uc 時,VT2、VT4導(dǎo)通,VT1、VT3關(guān)斷,輸出電壓-Ud
            (5)輸出波形調(diào)頻、調(diào)壓的實現(xiàn)
            雙極性SPWM波的特點:輸出基波頻率與調(diào)制波相同,輸出基
            波電壓與幅度調(diào)制比相關(guān),輸出諧波頻率為調(diào)制波頻率的整數(shù)倍。
            因此,固定三角載波的頻率和幅值,改變調(diào)制波的頻率和幅值就可以
            改變輸出SPWM波中正弦基波的頻率和幅值。
            (6)輸出基波電壓與直流電壓利用率
            基波電壓幅值:
            在幅度調(diào)制比不超過1時,雙極性SPWM的輸出電壓基波幅值與
            幅度調(diào)制比成正比
            直流電壓利用率:
            (7)雙極性控制的特點
            直流電壓利用率低,解決的方法是采用過調(diào)制或注入諧波調(diào)制;
            開關(guān)頻率提高是改善輸出諧波特性根本辦法,但也帶來相應(yīng)的損耗;
            橋臂互補工作的可靠性問題要求加入“死區(qū)時間”,但降低了電路的直流電壓利用率并引入理論上沒有的低頻諧波(3、5、7。。。次諧波)等不良影響。

            5、單極性SPWM控制逆變的方法(倍頻控制的SPWM方法)
            (1)引入一個固定頻率、固定幅值的三角波uc-三角載波。
            (2)引入一個與輸出頻率相同、幅值不超過三角波的正弦波us -調(diào)制
            波。
            (3)將調(diào)制波us與三角載波uc進行比較,輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律
            變化的方波-SPWM波,用來控制橋式逆變器的VT1、VT4,將調(diào)
            制波-us與三角載波uc進行比較,輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律變化
            的方波-SPWM波,用來控制橋式逆變器的VT2、VT3,根據(jù)頻譜
            分析結(jié)果,輸出波形中除與調(diào)制波相同頻率的波形幅值較大外,
            其余的諧波含量主要為與三角載波頻率相關(guān)的高次諧波,最低為
            三角載波頻率的2倍,由于三角載波頻率較高,比較容易濾除。
            (4)控制方法:
            us> uc 時,VT1導(dǎo)通,VT4關(guān)斷,輸出電壓+Ud
            us uc 時,VT4導(dǎo)通,VT1關(guān)斷,輸出電壓-Ud
            -us> uc 時,VT2導(dǎo)通,VT3關(guān)斷,輸出電壓+Ud
            -us uc 時,VT3導(dǎo)通,VT2關(guān)斷,輸出電壓-Ud

            例、t1--t2 時間段:
            us uc ,VT4導(dǎo)通,VT1關(guān)斷
            -us uc, VT3導(dǎo)通,VT2關(guān)斷
            因此, VT3、 VT4導(dǎo)通,輸出電壓uAB=0V
            t3--t4 時間段:
            us > uc ,VT1導(dǎo)通,VT4關(guān)斷
            -us uc, VT3導(dǎo)通,VT2關(guān)斷
            因此, VT1、 VT3導(dǎo)通,輸出電壓uAB= Ud
            t5--t6 時間段:
            us > uc ,VT1導(dǎo)通,VT4關(guān)斷
            -us> uc, VT2導(dǎo)通,VT3關(guān)斷
            因此, VT1、 VT2導(dǎo)通,輸出電壓uAB= 0
            t7—t8 時間段:
            -us > uc ,VT2導(dǎo)通,VT3關(guān)斷
            us uc , VT4導(dǎo)通,VT1關(guān)斷
            因此, VT2、 VT4導(dǎo)通,輸出電壓uAB= -Ud



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