脉冲序列控制逆变器

班长带你学变频器：PWM控制方式详解

PWM控制技术，应用于中小功率变频电路中，主要分为电压型和电流型两种。其核心在于通过精确计算正弦波的频率、幅值和半周期脉冲数，以此来确定PWM波各脉冲宽度和间隔。以此方式控制变频电路中的开关器件通断，最终生成所需PWM波形。当输出正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，PWM波形随之相应变化。

一、PWM控制技术概述

PWM（脉冲宽度调制）技术是一种通过调整脉冲宽度来等效生成所需波形的方法。其理论基础是面积等效原理。SPWM（正弦脉宽调制）波形是一个典型代表，其特点在于脉冲宽度按照正弦规律变化。PWM波形通过数字编码实现，通过高分辨率计数器，以方波的占空比调整来编码模拟信号电平。此方法允许在给定时间内，直流供电完全开启（ON）或完全关闭（OFF），通过重复脉冲序列将电压或电流源施加至模拟负载，以此实现模拟值的编码。

二、PWM变频控制的基本原理和方法

为了获得理想的三相正弦波驱动交流异步电机，通常将期望的正弦波半波分为N等分，并用等幅的矩形脉冲来等效替代，以近似正弦波输出电压。通过增加N的值，输出电压将更接近正弦波。逆变器的输出脉冲序列显示了该方法的实施。逆变器采用恒定的直流电源供电，通过不可控整流器实现，输出脉冲的幅值即为整流器的输出电压。理想状态下，控制开关元件的信号应与SPWM波形相似。

理论上，控制脉冲波形宽度可通过计算获得，作为驱动逆变器中开关元件通断的依据。然而，实际应用中，通过调制技术以期望的正弦波作为调制波，利用等腰三角波作为载波信号，以实现各分段矩形脉冲宽度的调整，形成SPWM波形。此方法在驱动脉冲宽度与正弦波函数值之间建立了线性关系，从而生成一系列宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。

三、PWM控制技术的特点

PWM技术的优势在于信号传输过程中的数字形式，降低了噪声影响，并增强了抗噪能力，特别适用于通信领域。PWM技术同时实现变频变压、抑制谐波，广泛应用于交流传动和能量变换系统。PWM技术主要分为三类：正弦PWM、正弦PWM优化和优化PWM，其中优化PWM旨在最小化电流谐波畸变率、提高电压利用率、实现最优效率和最小化转矩脉动，以满足特定优化目标。

PWM的逆变原理是什么

1. PWM（脉宽调制）技术通过调节脉冲宽度来控制输出电压，同时通过改变周期来调节输出频率。

2. 在PWM逆变器中，调压与调频协同工作，且与中间直流环节无关，这提高了调节速度和动态性能。

3. PWM逆变器使用不可控整流器，改善了电网侧的功率因数，并能够减少低次谐波。

4. 结合自关断器件，PWM逆变器能够显著提高开关频率，使输出波形接近正弦波。

5. PWM变频电路的特点包括：输出电压接近正弦波、功率因数接近1、电路结构简单，以及动态响应速度快。

6. 现代通用变频器普遍采用PWM控制方式，因此了解PWM控制原理是必要的。

7. PWM控制通过对逆变电路开关器件的通断进行控制，生成一系列代替正弦波或所需波形的脉冲。

8. 通过调节脉冲宽度，PWM逆变器可以改变输出电压和频率。

9. 采样控制理论表明，不同形状但面积相等的窄脉冲对系统的效果是等效的。

10. 利用这一理论，可以用不同宽度的矩形波来模拟正弦波，从而控制输出不同频率的正弦波。

11. PWM波形的生成涉及将正弦波分成等份，用等幅不等宽的矩形脉冲序列代替，保持面积（冲量）相等。

12. 这样得到的PWM波形与正弦波等效，各脉冲宽度按正弦规律变化。

13. 要改变输出正弦波的幅值，只需按比例系数改变脉冲宽度，而整流电路可以采用不可控二极管。

14. 一旦给出了正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形的脉冲宽度和间隔就可以准确计算。

15. 按照这些计算结果控制开关器件的通断，就可以生成所需的PWM波形。

电压通用型逆变器原理

电压通用型逆变器的核心原理是通过电力电子器件将直流电转换为可调压的交流电，关键在于灵活控制脉冲宽度与电磁变换。

1. 直流电输入与滤波

输入直流电源通常来自太阳能板或蓄电池，其电压可能存在波动。滤波电路（含电容、电感）会消除纹波，确保后续电路工作稳定。

2. 逆变电路工作原理

逆变核心为开关器件（如IGBT/MOSFET），通过周期性导通/关断将直流电切割为脉冲序列。采用脉宽调制（PWM）技术调节脉冲宽度与频率——占空比增大可提升电压，反之降低。例如负载突增时，系统通过动态调整占空比维持输出电压恒定。

3. 交流输出优化与变压

初级输出的方波经LC滤波电路滤除高频谐波，波形趋近正弦波。若需不同电压等级，采用电磁变压器进行升降压：初级线圈匝数变化实现输出电压调节，兼容110V/220V等多种供电标准。

4. 智能控制与多重保护

控制芯片持续监测输出电压/频率，通过反馈回路实时修正PWM参数。当检测到过压、过流或温度超标时，保护电路会在毫秒级切断输出，防止设备损坏。部分高端机型还可通过软件预设输出电压参数，实现多种场景的无缝切换。

常用的交流PWM有3种控制方式,分别为SPWM,CFPWM和SVPWM,论述它们的基本特征,各自的优缺点。

SPWM、CFPWM和SVPWM是常用的交流PWM控制方式，它们各自具有不同的基本特征和优缺点。

SPWM的基本特征是以频率与期望输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。它的优点是普通SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，通过计算各脉冲起始与终了相位的方法，可以消除指定次数的谐波。缺点是输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，需采用特殊方法。

CFPWM的基本特征是在原主回路基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，从而获得更好的性能。它的优点是精度高、响应快，且易于实现。缺点是功率开关器件的开关频率不定。

SVPWM的基本特征是把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。它的优点是计算简便，与一般的SPWM相比，SVPWM控制方式的输出电压最多可提高15%。缺点是8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。

扩展而言，用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。

pwm逆变电路的常用控制方法有两种,一是 ;二是 。

PWM逆变电路的控制手段主要分为两种：计算法和调制法。调制法分为异步调制和同步调制两种。PWM逆变技术的优势在于能够精确控制输出电压，实现简单的结构设计，并在充电过程中对电流进行精确控制。PWM技术通过调节脉冲宽度来控制输出电压，同时通过改变脉冲的调制周期来调整输出频率。随着电子技术的进步，出现了多种PWM技术，包括相电压控制PWM、脉宽PWM、随机PWM、SPWM、线电压控制PWM等。本文主要介绍的是在镍氢电池智能充电器中应用的脉宽PWM法。这种方法通过等宽脉冲序列实现PWM波形，通过调整脉冲序列的周期来调节频率，通过改变脉冲宽度或占空比来调节电压。适当的控制策略可以使电压和频率同步变化。通过调整PWM周期和占空比，可以实现充电电流的精确控制。这种方法能够协调调压和调频的作用，与中间直流环节无关，从而提高调节速度和动态性能。由于输出为等幅脉冲，只需恒定直流电源供电，因此可以使用不可控整流器替代相控整流器，显著提高电网侧的功率因数。PWM逆变器能够有效抑制或消除低频次谐波，同时由于使用了自关断器件，开关频率大幅提高，输出波形可以非常接近正弦波。

SVPWMSVPWM与PWM、SPWM的比较

PWM，即脉冲宽度调制，其工作原理是晶闸管在开关状态下，当晶闸管导通时，电源电压直接作用于电动机；而导通后断开时，电动机与直流电源分离。通过调节晶闸管的导通时间（调占空比ton），可以控制电机电压，进而实现调速功能。

与之相比，SVPWM（同步电压模式脉宽调制）的产生原理与PWM并不相同，虽然表面上看起来相似。SVPWM并非直接基于PWM，而是有其独特的数学背景。它通过三角波载波信号与一组正弦参考电压信号的比较，生成三相对称的SPWM脉冲序列，这些脉冲驱动逆变器的开关器件。逆变器的输出电压具有基本的正弦波特性，通过调整正弦波参考信号的幅值和频率，可以调整输出电压的特性。

尽管SVPWM与SPWM的起源和原理不同，但它们在实际应用中都实现了电压和频率的精确控制。SPWM以三角波和正弦波为基础，而SVPWM则涉及三角波与包含一定三次谐波的正弦基波调制，这一点可以从数学理论中得以证实。两者虽然路径各异，但都达到了控制电力系统的目的。

逆变器的工作原理是怎样的？

PWM（脉宽调制）技术通过高分辨率计数器调制方波信号的占空比，实现对模拟信号的电平模拟。在PWM信号中，直流供电以一系列通断脉冲的形式加到模拟负载上，只要带宽足够宽，任何模拟值都可以通过PWM进行精确编码。例如，正弦波可以通过一系列等幅不等宽的脉冲来近似，这些脉冲宽度按正弦规律变化，中点重合，面积相等。SPWM（正弦波PWM）波形是一种脉冲宽度按正弦规律变化，且与正弦波等效的PWM波形。

PWM逆变器的三相功率级用于驱动三相无刷直流电机。为确保电机正常工作，电场必须与转子磁场之间的角度接近90度。通过六步序列控制，产生6个定子磁场向量，这些向量根据指定的转子位置进行改变。霍尔效应传感器用于检测转子位置，以提供6个步进电流给转子。功率级使用6个可以按特定序列切换的功率MOSFET来实现这一点。在常用的切换模式中，MOSFET Q1、Q3和Q5进行高频切换，而Q2、Q4和Q6进行低频切换。

例如，当低频MOSFET Q2、Q4和Q6开启且高频MOSFET Q1、Q3和Q5处于切换状态时，会形成一个功率级。电流将流经Q1、L1、L2和Q4。当Q1关闭时，电感产生的额外电压会导致体二极管D2正向偏置，允许续流电流流过。当Q1开启，体二极管D2反向偏置，电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。为了改善体二极管的性能，研究人员开发了具有快速恢复特性的MOSFET，其反向恢复峰值电流较小。

在PWM逆变器电路中，电阻R2和电容C1用于设置集成电路内部振荡器的频率，而R1用于微调频率。IC的引脚14和11分别连接到驱动晶体管的发射极和集电极终端，同时引脚13和12连接到晶体管的集电极。引脚14和15输出180度相位差的50赫兹脉冲列车，用于驱动后续晶体管阶段。

当引脚14为高电平时，晶体管Q2导通，进而使Q4、Q5、Q6从+12V电源连接到上半部分变压器T1，产生220V输出波形的上半周期。同理，当引脚11为高电平时，Q7、Q8、Q9导通，通过变压器T2产生下半周期电压，从而形成完整的220V输出波形。在变压器T2的输出，电压通过桥式整流器D5整流，并提供给误差放大器的反相输入端PIN1。比较内部参考电压后，误差电压调节引脚14和12的驱动信号的占空比，以调整输出电压。

电阻R9用于调节逆变器输出电压，因为它直接控制输出电压误差放大器部分的反馈量。二极管D3和D4作为续流二极管，保护晶体管在变压器T2初级侧产生的电压尖峰。R14和R15限制Q7的基极电流，R12和R13防止意外的开关ON下拉电阻。C10和C11用于绕过变频器输出噪声，而C8是稳压IC 7805的滤波电容。电阻R11限制通过LED指示灯D2的电流。

PWM技术的几种PWM控制方法

采样控制理论中有一个重要结论：当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。PWM控制技术就是基于这个结论，通过控制半导体开关器件的导通和关断，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。通过按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但由于电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展，以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，主要有以下方法。

1. 随机PWM方法：在上世纪70年代至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

2. SPWM（Sinusoidal PWM）法：这是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。其原理是利用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变局旦培调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

3. 等面积法：该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。

4. 硬件调制法：硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

5. 软件生成法：由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

6. 低次谐波消去法：是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(ωt)=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1、a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。

7. 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。

8. 线电压控制PWM：对于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，主要有马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法。

9. 电流控制PWM：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。其实现方案主要有滞环比较法、三角波比较法和预测电流控制法。

10. 空间电压矢量控制PWM（SVPWM）：也叫磁通正弦PWM。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。

11. 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。

12. 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Band-Band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。

13. 单周控制法：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。

14. 谐振软开关PWM：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。

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