优化PWM控制方式：全面解析

PWM控制电路的功能是产生PWM控制信号去控制逆变电路，使之产生SPWM波提供给负载。为了使逆变电路产生的SPWM波合乎要求,通常的做法是将正弦波作为参考信号送给PWM控制电路,PWM控制电路对该信号处理后形成相应的PWM控制信号去控制逆变电路,让逆变电路产生与参考信号等效的SPWM波。

根据PWM控制电路对参考信号处理方法不同，可分为计算法、调制法和跟踪控制法等。

1.计算法

计算法是指PWM控制电路的计算电路根据参考正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，计算出SPWM脉冲的宽度和间隔，然后输出相应的PWM控制信号去控制逆变电路，让它产生与参考正弦波等效的SPWM波。采用计算法的PWM电路如图7-35所示。

计算法是一种较繁琐的方法,故PWM控制电路较少采用这种方法。

图7-35 采用计算法的PWM电路

2.调制法

调制法是指以参考正弦波作为调制信号，以等腰三角波作为载波信号，将正弦波调制三角波来得到相应的PWM控制信号，再控制逆变电路产生与参考正弦波一致的SPWM波供给负载。采用调制法的PWM电路如图7-36所示。

调制法中的载波频率f_c与信号波频率f_r之比称为载波比,记作N=f_c/f_r。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，调制法又可分为异步调制和同步调制。

图7-36 采用调制法的PWM电路

(1)异步调制

异步调制是指载波频率和信号波不保持同步的调制方式。在异步调制时,通常保持载波频率f_c不变,当信号波频率f_r发生变化时,载波比N也会随之变化。

在信号波频率较低时,载波比N增大,在信号半个周期内形成的PWM脉冲个数很多,载波频率不变,信号频率变低(周期变长),半个周期内形成的SPWM脉冲个数增多,SPWM的效果越接近正弦波;反之,信号波频率较高时形成的SPWM脉冲个数少,如果信号波频率高且出现正、负不对称,那么形成的SPWM波与正弦波偏差较大。

异步调制适用于信号频率较低、载波频率较高(即载波比N较大)的PWM电路。

(2)同步调制

同步调制是指载波频率和信号波保持同步的调制方式。在同步调制时,载波频率f_c和信号波频率f_r会同时发生变化,而载波比N保持不变。由于载波比不变,所以在一个周期内形成的SPWM脉冲的个数是固定的,等效正弦波对称性较好。在三相PWM逆变电路中,通常共用一个三角载波,并且让载波比N固定取3的整数倍,这样会使输出的三相SPWM波严格对称。

在进行异步调制或同步调制时,要求将信号波和载波进行比较,比较采用的方法主要有自然采样法和规则采样法。自然采样法和规则采样法如图7-37所示。

图7-37 信号波和载波进行比较方法

a)自然采样法 b)规则采样法(www.xing528.com)

图7-37a所示为自然采样法示意图。自然采样法是将载波U_c与信号波U_r进行比较,当U_c＞U_r时,调制电路控制逆变电路,使之输出低电平,当U_c＜U_r时,调制电路控制逆变电路,使之输出高电平。自然采样法是一种最基本的方法,但使用这种方法要求电路进行复杂的运算,这样会花费较多的时间,实时控制较差,因此在实际中较少采用这种方法。

图7-37b所示为规则采样法示意图。规则采样法是以三角载波的两个正峰之间为一个采样周期,以负峰作为采样点对信号波进行采样而得到D点,再过D点作一条水平线和三角载波相交于A、B两点,在A、B点的t_A~t_B期间,调制电路会控制逆变电路,使之输出高电平。规则采样法的效果与自然采样法接近,但计算量很少,在实际中采用这种方法较广泛。

3.跟踪控制法

跟踪控制法是将参考信号与负载反馈过来的信号进行比较，再根据两者的偏差来形成PWM控制信号来控制逆变电路，使之产生与参考信号一致的SPWM波。跟踪控制法可分为滞环比较式和三角波比较式。

(1)滞环比较式

采用滞环比较式跟踪法的PWM控制电路要用来滞环比较器。根据反馈信号的类型不同,滞环比较式可分为电流型滞环比较式和电压型滞环比较式。

1)电流型滞环比较式。图7-38所示是单相电流型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路。该方式是将参考信号电流I_r与逆变电路输出端反馈过来的反馈信号电流I_f进行相减,再将两者的偏差I_r-I_f输入滞环比较器,滞环比较器会输出相应的PWM控制信号,控制逆变电路开关器件的通断,使输出反馈电流I_f与I_r误差减小,I_f与I_r误差越小,表明逆变电路输出电流与参考电流越接近。

图7-38 单相电流型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路

图7-39所示是三相电流型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路。该电路有I_Ur、I_Vr、I_Wr三个参考信号电流,它们分别与反馈信号电流I_Uf、I_Vf、I_Wf进行相减,再将两者的偏差输入各自的滞环比较器,各滞环比较器会输出相应的PWM控制信号,控制逆变电路开关器件的通断,使各自输出的反馈电流朝着与参考电流误差减小的方向变化。

采用电流型滞环比较式跟踪控制的PWM电路的主要特点有:①电路简单;②控制响应快,适合实时控制;③由于未用到载波,故输出电压波形中固定频率的谐波成分少;④与调制法和计算法比较,相同开关频率时输出电流中高次谐波成分较多。

2)电压型滞环比较式。图7-40所示是单相电压型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路。从图中可以看出,电压型滞环比较式与电流型不同主要在于参考信号和反馈信号都由电流换成了电压,另外在滞环比较器前增加了滤波器,用来滤除减法器输出误差信号中的高次谐波成分。

图7-39 三相电流型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路

图7-40 单相电压型滞环比较式跟踪控制PWM逆变电路

(2)三角波比较式

图7-41所示是三相三角波比较式电流跟踪型PWM逆变电路。在电路中,三个参考信号电流I_Ur、I_Vr、I_Wr与反馈信号电流I_Uf、I_Vf、I_Wf进行相减,得到的误差电流先由放大器A进行放大,然后再送到运算放大器C(比较器)的同相输入端,与此同时,三相三角波发生电路产生三相三角波送到三个运算放大器的反相输入端,各误差信号与各自的三角波进行比较后输出相应的PWM控制信号,去控制逆变电路相应的开关器件通断,使各相输出反馈电流朝着与该相参考电流误差减小的方向变化。

图7-41 三相三角波比较式电流跟踪型PWM逆变电路