脈寬調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域

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，包括風力發(fā)電、電機調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點，可以反饋再生制動的能量，對于如今國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

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

1、簡介

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

• PWM型

• PFM型

• PWM、PFM混合型

PWM式開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(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航天器控制是簡單有效的控制方案，同時能使時間或能量達到最優(yōu)控制。

脈寬調(diào)制發(fā)動機控制方式是在每一個脈動周期內(nèi)，通過改變閥門在開或關(guān)位置上停留的時間來改變流經(jīng)閥門的氣體流量，從而改變總的推力效果，對于質(zhì)量流率不變的系統(tǒng)，可以通過脈寬調(diào)制技術(shù)來獲得變推力的效果。

脈寬調(diào)制通常有兩種方法：

• 第一種為整體脈寬調(diào)制，對控制對象進行控制器設(shè)計，并根據(jù)控制要求的作用力大小，對整個系統(tǒng)模型進行動態(tài)的數(shù)學解算變換，得出固定力輸出應(yīng)該持續(xù)作用的時間和開始作用時間。

• 第二種為脈寬調(diào)制器，不考慮控制對象模型，而是根據(jù)輸入進行“動態(tài)衰減”性的累加，然后經(jīng)過某種算法變換后，決定輸出所持續(xù)的時間。這種方式非常簡單，也能達到輸出作用近似相同。

脈寬調(diào)制控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、技術(shù)比較成熟，俄羅斯已經(jīng)將其成功地應(yīng)用于遠程火箭的角度穩(wěn)定系統(tǒng)控制中。但是當調(diào)制量為零時，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，其開關(guān)的頻率必須遠大于KKV本身的固有頻率，否則不但起不到調(diào)制效果，甚至會發(fā)生災難性后果。

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，人眼就不會感到閃爍。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

多數(shù)負載（無論是電感性負載還是電容性負載）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PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；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)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期

2、 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時間

3、設(shè)置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳

4、啟動定時器

5、使能PWM控制器

如今幾乎所有市售的單片機都有PWM模塊功能，若沒有（如早期的8051），也可以利用定時器及GPIO口來實現(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定時器周期，該參數(shù)決定PWM波形的頻率。

②：設(shè)置PWM定時器比較值，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，防止過流損壞功率管，故障一般有比較器或ADC或GPIO檢測。

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

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

4、使PWM波形發(fā)生。

假設(shè)SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱為載波比N，對于三相變頻器，當N為3的整數(shù)倍時，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，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機試驗方法的規(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，當載波頻率為3kHz時，帶寬至少為18kHz，實際使用建議采用30kHz以上帶寬的變頻功率傳感器及變頻功率分析儀。

實際的SPWM波，其載波比不一定為整數(shù)，此時，為了降低頻譜泄露，可適當增加傅里葉窗口長度，對多個基波周期的PWM進行傅里葉變換（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。

對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，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)則對各脈沖的寬度進行調(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，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，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。對于正弦的負半周，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，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確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。

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，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。

模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預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可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問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。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。

通過以數(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)字控制的實現(xiàn)變得更加容易。

《電力電子變換器的先進脈寬調(diào)制技術(shù)》綜合介紹了電力電子變換器的先進脈寬調(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)，利用它可實現(xiàn)控制系統(tǒng)對變換器的控制輸出。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，并且沒有有效利用脈沖的自由度?；谀Ｐ皖A測的先進脈寬調(diào)制策略是本書的核心內(nèi)容，通過建立PWM影響的預測模型，有效地利用脈沖的自由度實現(xiàn)控制和性能的優(yōu)化。本書針對先進脈寬調(diào)制，研究了從簡單到復雜的拓撲結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用方法，并且針對共模電壓抑制的問題專門進行了研究和介紹。之后，對先進脈寬調(diào)制的軟硬件實現(xiàn)方法也進行了簡述。

《電力電子變換器的先進脈寬調(diào)制技術(shù)》可以供電氣工程專業(yè)的教師、研究生以及高年級本科生使用，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。

出版說明

《電氣工程新技術(shù)叢書》編委會

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

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)學分析方法

2.6小結(jié)

參考文獻

第3章脈寬調(diào)制對系統(tǒng)的影響

3.1脈寬調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)影響綜述

3.2PWM與開關(guān)損耗

3.3PWM與電紋波

3.4PWM與電磁干擾

3.5改進范例：隨機PWM

3.6小結(jié)

參考文獻

第4章電力電子變換器的電流紋波預測模型

4.1單相逆變器的電流紋波預測模型

4.2三相電壓型變換器電流紋波預測：戴維南等效電路

4.3通用多相變換器電流紋波預測方法

4.4考慮電路不對稱的電流紋波預測

4.5直流母線電流預測

4.6非理想條件對預測的影響及應(yīng)對

4.7小結(jié)

參考文獻

第5章模型預測PWM技術(shù)

5.1模型預測PWM

5.2變開關(guān)頻率PWM的架構(gòu)

5.3基于電流紋波峰值的變開關(guān)頻率PWM（VSFPWM1）

5.4基于電流紋波有效值的變開關(guān)頻率PWM（VSFPWM2）

5.5基于其他優(yōu)化目標的變開關(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

第6章復雜拓撲結(jié)構(gòu)的先進PWM

6.1復雜拓撲結(jié)構(gòu)變換器及其PWM簡介

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

第7章改進共模噪聲的PWM技術(shù)

7.1共模噪聲問題簡介

7.2改進PWM策略對共模電壓的抑制

7.3共?；芈贩治龊凸材ｋ娏饕种品椒?

7.4復雜拓撲結(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——環(huán)流抑制

7.4.7并聯(lián)零共模PWM的死區(qū)補償方法

7.5小結(jié)

參考文獻

第8章先進PWM的軟硬件實現(xiàn)

8.1仿真中先進PWM的實現(xiàn)

8.2DSP中PWM的發(fā)生原理

8.3改進PWM的實現(xiàn)

8.3.1改進的PWM——變開關(guān)頻率PWM

8.3.2改進的PWM——載波移相PWM

8.3.3改進的PWM——單開關(guān)周期內(nèi)前后半周期不同比較值的實現(xiàn)

8.4小結(jié)

參考文獻