基于PWM的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

0 引言

電力電子技術(shù)作為一門新興的高科技學(xué)科，起始于上世紀(jì)50年代末硅整流器件的誕生。上世紀(jì)80年代末期和90年代初期，以MOSFET和IGBT為代表的，集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子技術(shù)時(shí)代。采用電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的各種開關(guān)電路，按

一定的規(guī)律，實(shí)時(shí)的控制器件的工作，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)型電力變換和控制，已被廣泛地應(yīng)用于高品質(zhì)交直流電源、電力系統(tǒng)、變頻調(diào)速、新能源發(fā)電及各種工業(yè)與民用電器等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的支撐技術(shù)。當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高電壓大容量化、高頻化、主電路及保護(hù)控制電路模塊化、產(chǎn)品小型化、智能化和低成本化。大力加強(qiáng)電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究，對(duì)改造傳統(tǒng)設(shè)備、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和增加產(chǎn)品的科技含量、解決關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)與安全的高新技術(shù)具有重大的經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略意義。

PWM控制技術(shù)已逐漸成熟，通過(guò)其對(duì)半導(dǎo)體電力器件的導(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。這在全控型開關(guān)器件的逆變器中得到廣泛應(yīng)用，已有各種單相(如SG3524)，三相PWM(如HEF4752)和SPWM 集成芯片(如SA828)隨著電力電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，PWM調(diào)壓技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是以PWM為基礎(chǔ)構(gòu)成的變頻系統(tǒng)，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，節(jié)能效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)、生活領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。為此，本文結(jié)合高?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生掌握PWM控制技術(shù)的應(yīng)用，介紹PWM調(diào)壓技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方法。該方案采用集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524 產(chǎn)生PWM 波，通過(guò)驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110，驅(qū)動(dòng)逆變橋?qū)崿F(xiàn)調(diào)壓。該電路結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、易于調(diào)試。

1 PWM技術(shù)的多種實(shí)現(xiàn)方法

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)，到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，可以劃分為多種方法。

1.1 等脈寬PWM 法

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)早期是基于PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)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)改變脈沖列的周期以調(diào)頻，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。

1.2 SPWM法

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、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，而與正弦波等效的PWM 波形即SPWM 波形控制逆變電路中開關(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，調(diào)節(jié)逆變輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有幾種方案。

1)等面積法實(shí)際上是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)。

2)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。

3)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。軟件生成法是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。

(1)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)刻控制開關(guān)器件的通斷，即自然采樣法。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。

(2)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(為采樣周期的2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)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。兩方法均適用于同步調(diào)制方式。

4)低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開，表示為u(棕t)=An sin(n棕t)，首先確定基波分量A1的值，再令兩個(gè)不同的An=0，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得A1，A2及A3，這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波。但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步的調(diào)制方法。

1.3 線電壓控制PWM

主要包括馬鞍形波和三角波比較法，也就是諧波注入PWM 方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過(guò)三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無(wú)中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無(wú)通路，所以三個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號(hào)的其他波形，這些信號(hào)都不會(huì)影響線電壓。這是因?yàn)?，?jīng)過(guò)PWM調(diào)制后，逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的3倍頻于正弦波信號(hào)的諧波，但在合成線電壓時(shí)，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。

1.4 電流控制PWM

電流控制PWM 的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下3種。

1)滯環(huán)比較法[4] 一種帶反饋的PWM 控制方式，即每相電流反饋信號(hào)與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器，得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音，和其他方法相比，在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。

2)三角波比較法與SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過(guò)放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波。此時(shí)開關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn)。但是，這種方式的電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。

3)預(yù)測(cè)電流控制法[6] 在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始，根據(jù)實(shí)際電流誤差，負(fù)載參數(shù)及其他負(fù)載變量，來(lái)預(yù)測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì)，因此，下一個(gè)調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測(cè)的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。目前，這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過(guò)程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.5 空間電壓矢量控制PWM

空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM 波形。此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度，在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓失量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問(wèn)題，減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音，但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善。

1.6 失量控制PWM

矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib及Ic，通過(guò)三相/兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1 及Ib1 ，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。

但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。

1.7 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM

1985 年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制，它也不需要解耦電機(jī)模型，而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band 控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器的控制，有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn)，如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制。

1.8 非線性控制PWM

單周控制法又稱積分復(fù)位控制(Integration Re原set Control，簡(jiǎn)稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS 觸發(fā)器，其控制原理如圖1所示。圖中K可以是任何物理開關(guān)，也可是其他可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。

傳統(tǒng)的PWM 逆變電路中，單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

1.9 諧振軟開關(guān)PWM

電力電子器件硬開關(guān)大的開關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的du/dt和di/dt限制了開關(guān)器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，它能使變換器體積減小、重量減輕、成本下降、性能提高，特別當(dāng)開關(guān)頻率在18 kHz以上時(shí)，噪聲已超過(guò)人類聽覺(jué)范圍，使無(wú)噪聲傳動(dòng)系統(tǒng)成為可能。諧振軟開關(guān)PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，附加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感、諧振電容和功率開關(guān)組成。開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開關(guān)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過(guò)程，諧振過(guò)程極短，基本不影響PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。從而既保持了PWM技術(shù)的特點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)。但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會(huì)產(chǎn)生諧振損耗，并使電路受固有問(wèn)題的影響，從而限制了該方法的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和工作原理

圖2給出了系統(tǒng)主電路和控制電路框圖，交流輸入電壓(500 Hz/220 V)經(jīng)過(guò)整流橋整流后，得到一個(gè)直流電壓。DC/AC 變換采用全橋變換電路，通過(guò)控制電路控制其逆變電路的導(dǎo)通時(shí)間，過(guò)流保護(hù)采用快速熔斷器，過(guò)電壓保護(hù)采用由電流互感器和電壓比較器LM324構(gòu)成的過(guò)電壓檢測(cè)電路。

2.1 SG3524的功能及引腳

SG3524是雙端輸出式脈寬調(diào)制器，工作頻率高于100 kHz，工作溫度為0~70 益，適宜構(gòu)成100~500 W中功率推挽輸出開關(guān)電源。SG3524采用DIP-16型封裝，管腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。