脈寬調(diào)制技術(shù)

對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏/n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。

根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

假設(shè)SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱(chēng)為載波比N，對(duì)于三相變頻器，當(dāng)N為3的整數(shù)倍時(shí)，輸出不含3次諧波及3的整數(shù)倍諧波。且諧波集中載波頻率整數(shù)倍附近，即諧波次數(shù)為：kfc±m(xù)fs，k和m為整數(shù)。

隨著諧波頻率的升高，諧波幅值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法的規(guī)定，變頻電量變送器的帶寬應(yīng)該在載波頻率的6倍以上，當(dāng)載波頻率為3kHz時(shí)，帶寬至少為18kHz，實(shí)際使用建議采用30kHz以上帶寬的變頻功率傳感器及變頻功率分析儀。

實(shí)際的SPWM波，其載波比不一定為整數(shù)，此時(shí)，為了降低頻譜泄露，可適當(dāng)增加傅里葉窗口長(zhǎng)度，對(duì)多個(gè)基波周期的PWM進(jìn)行傅里葉變換（FFT或DFT）。

從調(diào)制脈沖的極性看，PWM又可分為單極性與雙極性控制模式兩種。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：

1）相電壓控制PWM

2）脈寬PWM

3）隨機(jī)PWM

4）SPWM（Sinusoidal PWM，正弦曲線PWM）

5）線電壓控制PWM

在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V,5V}這一集合中取值。

盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬電路還有可能?chē)?yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。

通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

多數(shù)負(fù)載（無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

1、設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期

2、 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間

3、設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳

4、啟動(dòng)定時(shí)器

5、使能PWM控制器

如今幾乎所有市售的單片機(jī)都有PWM模塊功能，若沒(méi)有（如早期的8051），也可以利用定時(shí)器及GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn)。更為一般的PWM模塊（如：TI的2000系列、AVR的Mega系列、TI的LM系列）控制流程為：

1、使能相關(guān)的模塊（PWM模塊以及對(duì)應(yīng)管腳的GPIO模塊）。

2、配置PWM模塊的功能，具體有：

①：設(shè)置PWM定時(shí)器周期，該參數(shù)決定PWM波形的頻率。

②：設(shè)置PWM定時(shí)器比較值，該參數(shù)決定PWM波形的占空比。

③：設(shè)置死區(qū)（deadband），為避免橋臂的直通，需要設(shè)置死區(qū)，一般單片機(jī)都有該功能。

④：設(shè)置故障處理情況，一般為故障是封鎖輸出，防止過(guò)流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測(cè)。

⑤：設(shè)定同步功能，該功能在多橋臂，即多PWM模塊協(xié)調(diào)工作時(shí)尤為重要。

3、設(shè)置相應(yīng)的中斷，編寫(xiě)ISR，一般用于電壓電流采樣，計(jì)算下一個(gè)周期的占空比，更改占空比，這部分也會(huì)有PI控制的功能。

4、使PWM波形發(fā)生。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。

1、簡(jiǎn)介

脈寬調(diào)制（PWM）是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語(yǔ)。按穩(wěn)壓的控制方式，開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源分為：

• PWM型

• PFM型

• PWM、PFM混合型

PWM式開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過(guò)電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2、PWM在推力調(diào)制中的應(yīng)用

1962年，Nicklas等提出了脈沖調(diào)制理論，指出利用噴氣脈沖對(duì)航天器控制是簡(jiǎn)單有效的控制方案，同時(shí)能使時(shí)間或能量達(dá)到最優(yōu)控制。

脈寬調(diào)制發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式是在每一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，通過(guò)改變閥門(mén)在開(kāi)或關(guān)位置上停留的時(shí)間來(lái)改變流經(jīng)閥門(mén)的氣體流量，從而改變總的推力效果，對(duì)于質(zhì)量流率不變的系統(tǒng)，可以通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)獲得變推力的效果。

脈寬調(diào)制通常有兩種方法：

• 第一種為整體脈寬調(diào)制，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，并根據(jù)控制要求的作用力大小，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)解算變換，得出固定力輸出應(yīng)該持續(xù)作用的時(shí)間和開(kāi)始作用時(shí)間。

• 第二種為脈寬調(diào)制器，不考慮控制對(duì)象模型，而是根據(jù)輸入進(jìn)行“動(dòng)態(tài)衰減”性的累加，然后經(jīng)過(guò)某種算法變換后，決定輸出所持續(xù)的時(shí)間。這種方式非常簡(jiǎn)單，也能達(dá)到輸出作用近似相同。

脈寬調(diào)制控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、技術(shù)比較成熟，俄羅斯已經(jīng)將其成功地應(yīng)用于遠(yuǎn)程火箭的角度穩(wěn)定系統(tǒng)控制中。但是當(dāng)調(diào)制量為零時(shí)，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明顯比變流率系統(tǒng)低。而且系統(tǒng)響應(yīng)有一定的滯后，其開(kāi)關(guān)的頻率必須遠(yuǎn)大于KKV本身的固有頻率，否則不但起不到調(diào)制效果，甚至?xí)l(fā)生災(zāi)難性后果。

3、在LED中的應(yīng)用

在LED控制中PWM作用于電源部分，脈寬調(diào)制的脈沖頻率通常大于100Hz，人眼就不會(huì)感到閃爍。

PWM控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè)，具體講，包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動(dòng)的能量，對(duì)于如今國(guó)家提出的節(jié)能減排具有積極意義。

《電力電子變換器的先進(jìn)脈寬調(diào)制技術(shù)》綜合介紹了電力電子變換器的先進(jìn)脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的原理和應(yīng)用。脈寬調(diào)制技術(shù)是電力電子變換器的核心技術(shù)，利用它可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)變換器的控制輸出。傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù)主要關(guān)注對(duì)參考波形的合成逼近效果，而忽視了損耗、電流紋波和電磁干擾等影響，并且沒(méi)有有效利用脈沖的自由度。基于模型預(yù)測(cè)的先進(jìn)脈寬調(diào)制策略是本書(shū)的核心內(nèi)容，通過(guò)建立PWM影響的預(yù)測(cè)模型，有效地利用脈沖的自由度實(shí)現(xiàn)控制和性能的優(yōu)化。本書(shū)針對(duì)先進(jìn)脈寬調(diào)制，研究了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的應(yīng)用方法，并且針對(duì)共模電壓抑制的問(wèn)題專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了研究和介紹。之后，對(duì)先進(jìn)脈寬調(diào)制的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法也進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

《電力電子變換器的先進(jìn)脈寬調(diào)制技術(shù)》可以供電氣工程專(zhuān)業(yè)的教師、研究生以及高年級(jí)本科生使用，也可以供從事電力電子變流技術(shù)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。

出版說(shuō)明

《電氣工程新技術(shù)叢書(shū)》編委會(huì)

前言

第1章電力電子變換器與脈寬調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)

1.1電力電子器件和電力電子變換器

1.2脈寬調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介

1.3電力電子技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

1.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章脈寬調(diào)制技術(shù)的原理

2.1空間矢量PWM

2.2載波比較PWM

2.3空間矢量PWM與載波比較PWM的關(guān)系

2.4PWM中的一些非理想因素

2.5PWM的數(shù)學(xué)分析方法

2.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章脈寬調(diào)制對(duì)系統(tǒng)的影響

3.1脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)影響綜述

3.2PWM與開(kāi)關(guān)損耗

3.3PWM與電紋波

3.4PWM與電磁干擾

3.5改進(jìn)范例：隨機(jī)PWM

3.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章電力電子變換器的電流紋波預(yù)測(cè)模型

4.1單相逆變器的電流紋波預(yù)測(cè)模型

4.2三相電壓型變換器電流紋波預(yù)測(cè)：戴維南等效電路

4.3通用多相變換器電流紋波預(yù)測(cè)方法

4.4考慮電路不對(duì)稱(chēng)的電流紋波預(yù)測(cè)

4.5直流母線電流預(yù)測(cè)

4.6非理想條件對(duì)預(yù)測(cè)的影響及應(yīng)對(duì)

4.7小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章模型預(yù)測(cè)PWM技術(shù)

5.1模型預(yù)測(cè)PWM

5.2變開(kāi)關(guān)頻率PWM的架構(gòu)

5.3基于電流紋波峰值的變開(kāi)關(guān)頻率PWM（VSFPWM1）

5.4基于電流紋波有效值的變開(kāi)關(guān)頻率PWM（VSFPWM2）

5.5基于其他優(yōu)化目標(biāo)的變開(kāi)關(guān)頻率PWM

5.6脈沖分布的控制：移相PWM

5.7小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的先進(jìn)PWM

6.1復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器及其PWM簡(jiǎn)介

6.2并聯(lián)逆變器和載波移相PWM

6.3多電平變換器的變開(kāi)關(guān)頻率PWM

6.4電流型變換器的PWM策略

6.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章改進(jìn)共模噪聲的PWM技術(shù)

7.1共模噪聲問(wèn)題簡(jiǎn)介

7.2改進(jìn)PWM策略對(duì)共模電壓的抑制

7.3共模回路分析和共模電流抑制方法

7.4復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與PWM消除共模

電壓的方法

7.4.1多電平變換器：零共模PWM

7.4.2多電平變換器零共模PWM的不足

7.4.3多電平變換器：零共模PWM 變開(kāi)關(guān)頻率

7.4.4并聯(lián)變換器：載波移相

7.4.5并聯(lián)變換器：零共模PWM

7.4.6并聯(lián)零共模PWM的算法改進(jìn)——環(huán)流抑制

7.4.7并聯(lián)零共模PWM的死區(qū)補(bǔ)償方法

7.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章先進(jìn)PWM的軟硬件實(shí)現(xiàn)

8.1仿真中先進(jìn)PWM的實(shí)現(xiàn)

8.2DSP中PWM的發(fā)生原理

8.3改進(jìn)PWM的實(shí)現(xiàn)

8.3.1改進(jìn)的PWM——變開(kāi)關(guān)頻率PWM

8.3.2改進(jìn)的PWM——載波移相PWM

8.3.3改進(jìn)的PWM——單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)前后半周期不同比較值的實(shí)現(xiàn)

8.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)