pwm调制原理同步调制_几种pwm调制方式介绍 - 全文

PWM简介

脉冲宽度调节是一种非常有效的技术，利用微处理器的数字输出来控制模拟电路，广泛应用于从测量、通信到功率控制和转换的许多领域。

脉冲宽度调制是根据相应载荷的变化调制晶体管基极或MOS管栅实现晶体管或MOS管导时间的变化，从而实现开关稳压电源输出的变化。这种方法可以在工作条件变化时保持电源的输出电压恒定，是利用微处理器的数字信号控制模拟电路的非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活、动态响应好等优点，成为电力电子技术应用最广泛的控制模式，也是人们研究的热点。由于科学技术的发展没有学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将成为PWM控制技术发展的主要方向之一。晶体管基极或基极根据相应载荷的变化进行调整MOS管栅实现晶体管或MOS管导时间的变化，从而实现开关稳压电源输出的变化。这种方法可以在工作条件变化时保持电源的输出电压恒定，是利用微处理器的数字信号控制模拟电路的非常有效的技术。

脉宽调制分类

从调制脉冲的极性来看，PWM可分为单极性和双极性控制模式。

产生单极性PWM模式的基本原理如图6所示.2.首先，同极性三角波载波信号ut。与调制信号ur，比较(图6.2(a))，产生单极性PWM脉冲(图6.2(b))；然后单极性PWM脉冲信号与图6.2(c)倒相信号显示UI相乘，从而获得正负半波对称PWM脉冲信号Ud，如图6.2(d)所示。

双极性PWM控制模式采用正负交变双极三角载波ut与调制波ur，如图6.三、可通过ut与ur，比较直接获得双极性PWM没有倒相电路的脉冲。

PWM优点

PWM一个优点是从处理器到被控系统的信号都是数字形式的，不需要数模转换。保持信号为数字形式可以最大限度地减少噪声影响。只有当噪声足以将逻辑1转换为逻辑0或逻辑0转换为逻辑1时，它才能影响数字信号。

噪声抵抗力的增强是PWM与模拟控制的另一个优点相比，这也是在某些时候PWM通信的主要原因。从模拟信号转向PWM通信距离可以大大延长。在接收端，通过适当的方式RC或LC网络可以过滤和调制高频方波，并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM它经济、节省空间、抗噪性强，是工程师在许多设计和应用中应用的有效技术。

PWM脉宽调制原理

脉宽调制技术是通过控制逆变电路开关的通断来控制模拟电路。脉宽调制技术的输出波形是一系列大小相等的脉冲，用于替代所需的波形。以正弦波为例，即使这一系列脉冲的等值电压为正弦波，输出脉冲尽可能光滑，低谐波较少。为了改变输出电压或输出频率等值，可以根据不同的需要相应调整各脉冲的宽度，从而实现模拟电路的控制。

PWM同步调制介绍

同步调制1N等于常数，并在变频过程中保持载波和信号波同步

1.基本同步调制方法，frN在变化过程中保持不变，输出脉冲数在信号波一周期内固定

2.三相电路中公共三角波载波，取N为3的整数倍，使三相输出对称

三、为使一相PWM波正负半周镜对称，N应取奇数

4.fr很低时，fc也很低，调制带来的谐波不易过滤

5.fr，很高时，fc会过高，使开关设备难以承受

PWM同步调整优缺点

同时成正比地改变ffc，使K保持不变，则称为同步调制。

PWM同步调制的优点是可以保证输出波 形状的对称性。对于三相系统，为了保持三相对称和相差120゜相位角，K应取3的整数倍；为保证双极调制时每相波形的正负半波对称，应取奇数。由于波形的对称性，不会出现偶尔谐波问题。但在逆变器低频运行时，受开关设备允许的开关频率限制，K值保持不变，K值过小，导致谐波含量增加。 增加电机的谐波损耗，增加扭矩脉动

PWM具体应用

PWM软件法控制充电电流

这种方法的基本思想是使用单片机PWM端口，不变PWM在方波周期的前提下，通过软件调整单片机PWM控制寄存器进行调整PWM从而控制充电电流。该方法要求的单片机必须具备ADC端口和PWM此外，端口的两个必要条件ADC单片机的位数尽可能高，工作速度尽可能快。在调整充电电流之前，单片机首先快速读取充电电流的大小，然后将设定的充电电流与实际读取的充电电流进行比较。如果实际电流较小，则调整增加充电电流的方向PWM空比；如果实际电流过大，调整减少充电电流的方向PWM的占空比。在软件PWM注意调整过程ADC采用算术平均法等数字滤波技术，合理采用读数偏差和电源工作电压引入的纹波干扰。

PWM应用于推力调制

1962年，Nicklas提出脉冲调节理论，指出利用喷气脉冲控制航天器是一种简单有效的控制方案，可以优化时间或能量。

脉宽调制发动机的控制模式是通过改变阀门在开关位置的停留时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总推力效果。对于质量流量不变的系统，脉宽调制技术可以获得变推力效果。

脉宽调制通常有两种方法15：第一种是整体脉宽调制，控制器设计控制对象，根据控制要求动态数学解算转换整个系统模型，得到固定力输出的持续时间和开始时间；第二种是脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入积累动态衰减，然后通过算法转换，决定输出的持续时间。这种方法很简单，输出效果也差不多。

脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV固有频率，否则不但不能起到调制作用，甚至会产生灾难性后果。

在LED中的应用

在LED控制中PWM脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz，人眼不会感到闪烁。

几种pwm介绍调制方法

1.相电压控制PWM

1.1等脉宽PWM法

VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)早期采用装置PAM(PulseAmplitudeModulaTIon)通过控制技术，逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM正是为了克服PAM发展法的这一缺点，是的PWM法中最简单的一种。它将每个脉冲的宽度等于脉冲列PWM波，可以通过改变脉冲列的周期来调节频率，改变脉冲的宽度或空比来调节压力，并采用适当的控制方法来协调电压和频率的变化。相对于PAM该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但输出电压除基波外，还包含了较大的谐波重量。

1.2随机PWM

从20世纪70年代到80年代初，由于大功率晶体管主要是双极达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪声和谐波引起的振动引起了人们的关注。随机改进PWM该方法应运而生。其原理是随机改变开关频率，使电机电磁噪声类似于限带白噪声（在线频率坐标系中，每个频率的能量分布均匀）。虽然噪声总分贝数没有改变，但固定开关频率的有色噪声强度大大降低。正因为如此，即使在IGBT如今，载波频率必须限制在较低频率的场合，并且已被广泛使用PWM它仍然有其特殊的价值；另一方面，它表明消除机械和电磁噪声的最佳方法不是盲目提高工作频率和随机性PWM技术为分析和解决这个问题提供了新的思路。

1.3SPWM法

SPWM(SinusoidalPWM)目前广泛使用的法律比较成熟。PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：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。SPWM该方法是基于该结论，根据正弦规律改变脉冲宽度和正弦波等效PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关设备的通断，使其输出的脉冲电压面积等于相应范围内所需正弦波的面积。逆变电路输出电压的频率和振幅值可以通过改变调制波的频率和振幅值来调节。实现该方法有以下方案。

1.3.1等面积法

其实这个方案就是SPWM直接解释法律原理，用相同数量的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算每个脉冲的宽度和间隔，并将这些数据存储在计算机中，并通过检查表生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理是起点，可以准确计算每个开关设备的开关时间。波形接近正弦波，但存在计算繁琐、数据占用内存大、无法实时控制的缺点。

1.3.2硬件调制法

硬件调制法是为了解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的。其原理是将所需的波形作为调制信号，接受调制的信号作为载波，并通过调制载波获得预期PWM波形。等腰三角波通常用作载波。当调制信号波为正弦波时，得到的是SPWM波形。事实上，实现方法很简单。模拟电路可以形成三角波载波和正弦调制波发生电路。它们的交点可以用比较器确定，开关设备的通断可以在交点时控制SPWM波。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确控制。

1.3.3软件生成法

由于微机技术的发展，使用软件生成SPWM波形变得容易，因此软件生成方法应运而生。软件生成方法实际上是一种利用软件实现调制的方法。有两种基本算法，即自然采样和规则采样。

1.3.3.1自然采样法

以正弦波为调制波，以腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点控制开关设备的通断，即自然采样法。它的优点是收益SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点的任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，因此脉冲宽度表达是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。

1.3.3.2规则采样法

规则采样法是一种应用广泛的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理是用三角波对正弦波行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。

规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。

以上两种方法均只适用于同步调制方式中。

1.3.4低次谐波消去法

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。

该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。

1.4梯形波与三角波比较法

前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6％。因此，为了提高直流电压利用率，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。

2、线电压控制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。

2.1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。

2.2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60°，对于某一线电压例如Uuv，半个周期两边60°区间用Uuv本身表示，中间60°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60°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60°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。

3、电流控制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。

3.1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。

3.2三角波比较法

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。

3.3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。

4、空间电压矢量控制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。

5、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。

6、直接转矩控制PWM

1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueControl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，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。

7、非线性控制PWM

单周控制法［7］又称积分复位控制(IntegraTIonResetControl，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。

8、谐振软开关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。