PWM 控制技术

组员：黄浩 刘洋 郭婷 高旭

田太铭 李佩

1 、PWM控制的理论基础

2、计算法和调制法

3、单、双极性 PWM控制技术

4、异步调制和同步调制

5 、SPWM波形的生成法

目录

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波形（含形状和幅值）。

特点：能模拟任意波形。作用：提高电力电子装置性能，开拓广阔领域。应用：整流，斩波，交交变流，逆变，组合变流 无功补偿，谐波吸收… .

地位 : 现代电力电子的重要技术。

引言

■ 面积等效原理：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。 ☞ 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 ☞ 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。

一、 PWM 控制技术的理论基础

二、 PWM 控制的基本原理■ 用 PWM 波代替正弦半波 ◆ 将正弦半波划分为 N 等分（ N=7 ），每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所代替，这样，由 N 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。 图 7-3 用 PWM 波代替正弦半

波

◆ 用此等幅不等宽的脉冲作为控制逆变器开关元件通断的依据。

◆ SPWM 波形——脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形。■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。■ 基于等效面积原理， PWM 波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 图 7-3 用 PWM 波代替正弦半

波

7.2.1 计算法和调制法

◆ 根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半

个周期内的脉冲数，准确计算 PWM 波形中各脉冲

的宽度和间隔，据此控制逆变电路中各开关器件

的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。

◆ 计算法缺点：繁琐，当需要输出的正弦波的

频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

一、计算法

◆ 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调

制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期

望的 PWM 波形。

二、调制法

◆ 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其

中等腰三角波应用最多。

单极性 PWM 电路分析

12 3 4

1110

2

t

6,14 Pf

fN

r

c

SPWM单极性 电压波形

2 t

rr fv ,

dV

cc fv ,

abv

O

O

12

11 2 3 4 5 6

b （ ）由 相交确定开关点rc vv ,

0)1(

0)2(

ab31cr

dab32cr

r

ab42cr

dab41cr

r

43

21

vTDTvv

VvTTvv

v

vTDTvv

VvTTvv

v

TT

TT

通，、通应为通，

通，通、，

负半周正弦

通，、通应为通，通，通、，

正半周正弦互补通、断与互补通、断与

0)1(

0)2(

ab31cr

dab32cr

r

ab42cr

dab41cr

r

43

21

vTDTvv

VvTTvv

v

vTDTvv

VvTTvv

v

TT

TT

通，、通应为通，

通，通、，

负半周正弦

通，、通应为通，通，通、，

正半周正弦互补通、断与互补通、断与

dV3T

4T

3D

4D

b

1T

2T

1D

2D

a ai负载

rv

驱动信号生成电路

-1

+

-

-cv三角波

正弦波

-1

+

-

+

-

A

B

11 ,TVg

22,TVg

44 ,TVg

33 ,TVg

AV

AVBV

BV

+

单极性 PWM 技术的缺点

1 、电动机有剩磁，导致利用效率降低。2 、有严重的高频谐波干扰（直流），电容滤

不掉。

双极性 PWM 电路分析

在 ur 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得 PWM 波也有正有负。

dV3T

4T

3D

4D

b

1T

2T

1D

2D

a ai负载

三相桥式 PWM 变频电路分析

A

CA

T1

T4 T6

T3

B

T5

T2

dV21

dV21

0

(a)电路

BC

+--1

+

-

+--1

+

-

Vg1 T1Vg4 T4

Vg6 T6

Vg3 T3

cV

+- -1

+

- Vg2 T2Vg5 T5

参考波形成

VR+

rf cf

oV

oV

rmV )(tVar

)(tVbr

)(tVcr

(b) 驱动信号

-

三相逆变器SPWM控制原理

(c)电压波形图

t

t

t

t0

0

0

0

0Cv

0Bv

0Av

crvbrvarvcv arv

1 、调压• 当逆变器输出电压要求增大时，可增大正弦波相对三角

波的幅度，此时，逆变器输出的矩形脉冲电压的幅值不变而宽度相应增大，达到调压的要求。

通常：三角波（载波 UC ） ：恒幅

正弦波（控制波、信号波 Ur ）：变幅

2 、调频改变正弦波的频率

异步调制和同步调制

◆ 异步调制：载波信号和调制信号不保持同步

的调制方式，即 N=fc / fr = 变数

◆ 通常保持载波频率 fc 固定不变，因而当信号

波频率 fr 变化时，载波比 N 是变化的。

N= 载波频率 fc / 调制信号频率 fr载波比

一、异步调制

◆ 在信号波的半个周期内， PWM 波的脉冲个

数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不

对称，半周期内前后 1/4 周期的脉冲也不对称。

◆当 fr 较低时， N 较大，半周期内脉冲数较多，

脉冲不对称产生的不利影响都较小， PWM 波形接

近正弦波。

◆当 fr 增高时， N 减小，半周期内的脉冲数减少，

PWM 脉冲不对称的影响就变大，输出 PWM 波和

正弦波的差异变大，特性变坏。

◆ 在采用异步调制方式时，希望采用较高的载

波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大

的载波比。

◆ 同步调制：载波比 N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式。

二、同步调制

◆ fr 变化时载波比 N 不变，信号波一个周期内

输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

1 、基本同步调制方式

ucu

rUu

rVu

rWu

uUN'

uVN'

O t

t

t

tO

O

O

uWN'

2

Ud

2

Ud

同步调制三相 PWM 波形

◆ 在三相 PWM 逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称和一相的 PWM 波正负半周镜对称，取 N为 3

的整数倍且为奇数。

ucu

rUu

rVu

rWu

uUN'

uVN'

O t

t

t

tO

O

O

uWN'

2

Ud

2

Ud

同步调制三相 PWM 波形

◆ 当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的 fc 也

很低， fc 过低时由调制带

来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的 fc 会过高，使开关

器件难以承受。

• 表格法 (ROM 法 )• • SPWM 随时计算法 (RAM 法 ) • 波形的• 软件• 生成法 等效面积法

• 实时计算法 自然采样法• 规则采样法 ( 对称

• 和不对称规则

• 采样法 )

SPWM 控制的实现方法

规则采样法 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多

自然采样法按照 SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角载波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成 SPWM波形的方法

1. 自然采样法

t

1

At

ABtM 1sin

Bt

'2t

"2t

CT

2t1t 3t

t

2.规则采样法 (1)

• 在三角载波每一周期的正峰值找到正弦调制波上的对应点 .

• 由于采样水平线与三角载波的交点位于同一侧 ,因此脉冲宽度明显减小 , 易造成控制误差 .

t

1

At

AB

tM 1sin

Bt

CT

2t1t 3t

t

D

2.规则采样法 (2)

• 在三角载波每一周期的负峰值找到正弦调制波上的对应点 .

• 采样水平线与三角载波的交点位于正弦调制波两侧 , 脉宽生成误差 ( 与自然采样法比 ) 明显减小 , 所得 SPWM波形更准确 .

t

1

At

AB

tM 1sin

Bt

CT

2t1t 3t

t

D

总结1 、通过本次 ISAS 学习，我们了解到了 PWM

控制的基本原理，以及单双极性 PWM 变频电路的分析。

2 、启示：交流促进进步。我们小组在一起收集资料、讨论分析，相互之间得到了较大的提高。

谢谢观赏！