pwm变频器在数控系统中的运用与分析(编辑修改稿)

pwm变频器在数控系统中的运用与分析(编辑修改稿)内容摘要：

用率 ,提出了一种新的方法 梯形波与三角波比较法 .该方法是采用梯形波作为调制信号 ,三角波为载波 ,且使两波幅值相等 ,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现 PWM 控制 . 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时 ,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值 ,从而可 以有效地提高直流电压利用率 .但由于梯形波本身含有低次谐波 ,所以输出波形中含有 5次 ,7 次等低次谐波 . PWM 前面所介绍的各种 PWM 控制方法用于三相逆变电路时 ,都是对三相输出相电压分别进行控制的 ,使其输出接近正弦波 ,但是 ,对于像 三相异步电动机 这样的三相无中线对称负载 ,逆变器输出不必追求相电压接近正弦 ,而可着眼于使线电压趋于正弦 .因此 ,提出了线电压控制 PWM,主要有以下两种方法 . 1） 马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入 PWM 方式 (HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波 ,调制信号便呈现出马鞍形 ,而且幅值明显降低 ,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下 ,可以使基波幅值超过三角波幅值 ,提高了直流电压利用率 .在三相无中线系统中 ,由于三次谐波电流无通路 ,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波 [4]. 除了可以注入三次谐波以外 ,还可以注入其他 3 倍频于正弦波信号的其他波形 ,这些信号都不会影响线 电压 .这是因为 ,经 过 PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的 3倍频于正弦波信号的谐波 ,但在合成线电压时 ,各相电压中的这些谐波将互相抵消 ,从而使线电压仍为正弦波 . 2） 单元脉宽调制法 因为 ,三相对称线电压有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的关系 ,所以 ,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和 .现在把一个周期等分为 6个区间 ,每区间 60176。 , 对于某一线电压例如 Uuv,半个周期两边 60176。 区间用 Uuv 本身表示 ,中间 60176。 区间用 (Uvw+Uwu)表示 ,当将 Uvw和 Uwu作同样处理时 ,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边 60176。 区间的两种波形形状 ,并且有正有负 .把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号 ,载波仍用三角波 ,并把各区间的 曲线 用直线近似 (实践表明 ,这样做引起的误差不大 ,完全可行 ),就可以得到线电压的脉冲波形 ,该波形是完全对称 ,且规律性很强 ,负半周是正半周相应脉冲列的反相 ,因此 ,只要半个周期两边 60176。 区间的脉冲列一经确定 ,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了 .这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号 ,但 由于已知三相线电压的脉冲工作模式 ,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了 . 该方法不仅能抑制较多的低次谐波 ,还可减小开关损耗和加宽线性控制区 ,同时还能带来用微机控制的方便 ,但该方法只适用于异步电动机 ,应用范围较小 . PWM 电流控制 PWM 的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号 ,把实际的电流波形作为反馈信号 ,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断 ,使实际输出随指令信号的改变而改变 .其实现方案主要有以下 3种 . 1） 滞环比较法 这是一种带反馈的 PWM 控制方式 ,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器 ,得出相应桥臂开关器件的开关状态 ,使得实际电流跟踪给定电流的变化 .该方法的优点是电路简单 ,动态性能好 ,输出电压不含特定频率的谐波分量 .其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音 ,和其他方法相比 ,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多 . 2） 三角波比较法 该方法与 SPWM 法中的三角波比较方式不同 ,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较 ,求出偏差电流 ,通过放大器放大后再和三角波进行比较 ,产生 PWM波 .此时开关频率一定 ,因而克服了 滞环比较法频率不固定的缺点 .但是 ,这种方式电流响应不如滞环比较法快 . 3） 预测电流控制法 预测电流控制是在每个调节周期开始时 ,根据实际电流误差 ,负载参数及其它负载变量 ,来预测电流误差矢量趋势 ,因此 ,下一个调节周期由 PWM 产生的电压矢量必将减小所预测的误差 .该方法的优点是 ,若给调节器除误差外更多的信息 ,则可获得比较快速 ,准确的响应 .目前 ,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性 . PWM 空间电压矢量控 制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM法 .它以三相波形整体生成效果为前提 ,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的 ,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基 准圆磁通 ,由它们的比较结果决定逆变器的开关 ,形成 PWM 波形 .此法从电动机的角度出发 ,把逆变器和电机看作一个整体 ,以内切多边形逼近圆的方式进行控制 ,使电机获得幅值恒定的圆形磁场 (正弦磁通 ). 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式 .磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合 成一个等效的电压矢量 ,若采样时间足够小 ,可合成任意电压矢量 .此法输出电压比正弦波调制时提高 15%,谐波电流有效值之和接近最小 .磁通闭环式引 入磁通反馈 ,控制磁通的大小和变化的速度 .在比较估算磁通和给定磁通后 , 根据误差决定产生下一个电压矢量 ,形成 PWM 波形 .这种方法克服了磁通开环法的不足 ,解决了电机低速时 ,定子电阻影响大的问题 ,减小了电机的脉动和噪音 .但由于未引入转矩的调节 ,系统性能没有得到根本性的改善 . 矢量控制 PWM 矢量控制 也称磁场定向控制 ,其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia,Ib 及 Ic,通过三相 /二相变换 ,等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1及 Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换 ,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及 It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流。 It1相当于与转矩成正比的电枢电流 ),然后模仿对直流电动机的控制方法 ,实现对交流电动机的控制 .其实质是将交流电动机等效为直流电动机 ,分别对速度 ,磁场两个分量进行独立控制 .通过控制转子磁链 ,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量 ,经坐标变换 ,实现正交或解耦控制 . 但是 ,由于转子磁链难以准确观测 ,以及矢量变换的复杂性 ,使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果 ,这是矢量控制技术在实践上的不足 .此外 .它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制 ,在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器 ,这显然给许多应用场合带来不便 . PWM 1985 年德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论 (Direct Torque Control简称 DTC).直接转矩控制与矢量控制不同 ,它不是通过控制电流 ,磁链等量来间接控制转矩 ,而是把转矩直接作为被控量来控制 ,它也不需要解耦电机模型 ,而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值 ,然后 ,经磁链和转矩的 BandBand 控制产生 PWM 信号对逆变器的开关状态进行最佳控制 ,从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足 ,能方便地 实现 无速度传感器 化 ,有很快的转矩响应速度和很高 的速度及转矩控制精度 ,并以新颖的控制思想 ,简洁明了的系统结构 ,优良的动静态性能得到了迅速发展 . 但 直接转矩控制 也存在缺点 ,如逆变器开关频率的提高有限制 . PWM 单周控制法 [7]又称积分复位控制 (Integration Reset Control,简称 IRC),是一种新型非线性控制技术 ,其基本思想是控制开关占空比 ,在每个周期使开关变量的平均值与控制 参考电压相等或成一定比例 .该技术同时具有调制和控制的双重性 ,通过复位开关 ,积分器 ,触发电路 ,比较器达到跟踪指令信号的目的 .单周控制器由控制器 ,比较器 ,积分器及时钟组成 ,其中控制器可以是 RS 触发器 ,其控制原理如图 1所示 .图中 K可以是任何物理开关 ,也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号 . 单周控制在控制电路中不需要误差综合 ,它能在一个周期内自动消除稳态 ,瞬态误差 ,使前一周期的误差不会带到下一周期 .虽然硬件电路较复杂 ,但其克服了传统的 PWM 控制方法的不足 ,适用于各种脉宽调制软开关逆变器 ,具有反应快 ,开关频 率恒定 ,鲁棒性强等优点 ,此外 ,单周控制还能优化系统响应 ,减小畸变和抑制电源干扰 ,是一种很有前途的控制方法 . PWM 传统的 PWM 逆变电路中 ,电力电子开关器件硬开关的工作方式 ,大的开关电压电流应力以及高的 du/dt 和 di/dt 限制了开关器件工作频率的提高 ,而高频化是电力电子主要发展趋势之一 ,它能使变换器体积减小 ,重量减轻 ,成本下降 ,性 能提高 ,特别当开关频率在 18kHz 以上时 ,噪声将已超过人类听觉范围 ,使无噪声传动系统成为可能 . 谐振软开关 PWM 的基本思想是在常规 PWM 变换器拓扑的基础 上 ,附加一个谐振网络 ,谐振网络一般由谐振电感 ,谐振电容和功率开关组成 .开关转换时 ,谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程 ,谐振过程极短 ,基本不影响 PWM 技术的实现 .从而既保持了 PWM 技术的特点 ,又实现了软开关技术 .但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗 ,并使电路受固有问题的影响 ,从而限制了该方法的应用。 三、 PWM变频器 在电机中的应用 随着半导体技术的进步，电力电子技术飞速发展，使直流电机的传动技术得到改进，以往普遍采用的三种基本调速方法，即：（ 1）改变电枢回路总电阻；（ 2）改变电枢的 供电电压；（ 3）改变励磁磁通，发展为晶闸管相控整流直流电机调压调速系统， 以及全波不控整流 — PWM 斩波直流电机调压调速系统。 近年来，电气传动的 PWM 控制技术已成为电气。