PWMPulseWidthModulation控制脉冲宽度调制关键技术.docx

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PWMPulseWidthModulation控制脉冲宽度调制关键技术

PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术。

　　通过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

　　PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用逆变电路绝大某些是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中应用，才拟定了它在电力电子技术中重要地位。

脉冲宽度调制是一种模仿控制方式，其依照相应载荷变化来调制晶体管栅极或基极偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间变化，这种方式能使电源输出电压在工作条件变化时保持恒定，是运用微解决器数字输出来对模仿电路进行控制一种非常有效技术。

　　PWM控制技术以其控制简朴,灵活和动态响应好长处而成为电力电子技术最广泛应用控制方式,也是人们研究热点.由于当今科学技术发展已经没有了学科之间界限,结合当代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展重要方向之一。

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一、脉冲宽度调制基本原理

　　随着电子技术发展，浮现了各种PWM技术，其中涉及：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等脉冲列作为PWM波形，通过变化脉冲列周期可以调频，变化脉冲宽度或占空比可以调压，采用恰当控制办法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调节PWM周期、PWM占空比而达到控制充电电流目。

　　模仿信号值可以持续变化，其时间和幅度辨别率都没有限制。

9V电池就是一种模仿器件，由于它输出电压并不精准地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸取电流也不限定在一组也许取值范畴之内。

模仿信号与数字信号区别在于后者取值普通只能属于预先拟定也许取值集合之内，例如在{0V，5V}这一集合中取值。

　　模仿电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机音量进行控制。

在简朴模仿收音机中，音量旋钮被连接到一种可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻电流也随之增长或减少，从而变化了驱动扬声器电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机同样，模仿电路输出与输入成线性比例。

　　尽管模仿控制看起来也许直观而简朴，但它并不总是非常经济或可行。

其中一点就是，模仿电路容易随时间漂移，因而难以调节。

可以解决这个问题精密模仿电路也许非常庞大、笨重（如老式家庭立体声设备）和昂贵。

模仿电路尚有也许严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流乘积成正比。

模仿电路还也许对噪声很敏感，任何扰动或噪声都必定会变化电流值大小。

　　通过以数字方式控制模仿电路，可以大幅度减少系统成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包括了PWM控制器，这使数字控制实现变得更加容易了。

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二、脉冲宽度调制详细过程

　　脉冲宽度调制（PWM）是一种对模仿信号电平进行数字编码办法。

通过高辨别率计数器使用，方波占空比被调制用来对一种详细模仿信号电平进行编码。

PWM信号依然是数字，由于在给定任何时刻，满幅值直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）重复脉冲序列被加到模仿负载上去。

通时候即是直流供电被加到负载上时候，断时候即是供电被断开时候。

只要带宽足够，任何模仿值都可以使用PWM进行编码。

　　多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要调制频率高于10Hz，普通调制频率为1kHz到200kHz之间。

　　许多微控制器内部都包具有PWM控制器。

例如，Microchip公司PIC16C67内含两个PWM控制器，每一种都可以选取接通时间和周期。

占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期倒数。

执行PWM操作之前，这种微解决器规定在软件中完毕如下工作：

　　1、设立提供调制方波片上定期器/计数器周期

　　2、在PWM控制寄存器中设立接通时间

　　3、设立PWM输出方向，这个输出是一种通用I/O管脚

　　4、启动定期器

　　5、使能PWM控制器

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三、脉冲宽度调制长处

　　PWM一种长处是从解决器到被控系统信号都是数字形式，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1变化为逻辑0或将逻辑0变化为逻辑1时，也才干对数字信号产生影响。

　　对噪声抵抗能力增强是PWM相对于模仿控制此外一种长处，并且这也是在某些时候将PWM用于通信重要因素。

从模仿信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接受端，通过恰当RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模仿形式。

　　总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用有效技术。

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四、脉冲宽度调制控制办法

　　采样控制理论中有一种重要结论:

冲量相等而形状不同窄脉冲加在具备惯性环节上时,其效果基本相似.PWM控制技术就是以该结论为理论基本,对半导体开关器件导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其她所需要波形.按一定规则对各脉冲宽度进行调制,既可变化逆变电路输出电压大小,也可变化输出频率.

　　PWM控制基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平制约,在上世纪80年代此前始终未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件浮现和迅速发展,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发展以及各种新理论办法,如当代控制理论,非线性系统控制思想应用,PWM控制技术获得了空前发展.到当前为止,已浮现了各种PWM控制技术,依照PWM控制技术特点,到当前为止重要有如下8类办法.

4.1、相电压控制PWM

　　4.1.1、等脉宽PWM法[1]

　　VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置在初期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现,其逆变器某些只能输出频率可调方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法这个缺陷发展而来,是PWM法中最为简朴一种.它是把每一脉冲宽度均相等脉冲列作为PWM波,通过变化脉冲列周期可以调频,变化脉冲宽度或占空比可以调压,采用恰当控制办法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该办法长处是简化了电路构造,提高了输入端功率因数,但同步也存在输出电压中除基波外,还包括较大谐波分量.

　　4.1.2、随机PWM

　　在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管重要为双极性达林顿三极管,载波频率普通不超过5kHz,电机绕组电磁噪音及谐波导致振动引起了人们关注.为求得改进,随机PWM办法应运而生.其原理是随机变化开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀）,尽管噪音总分贝数未变,但以固定开关频率为特性有色噪音强度大大削弱.正由于如此,虽然在IGBT已被广泛应用今天,对于载波频率必要限制在较低频率场合,随机PWM依然有其特殊价值;另一方面则阐明了消除机械和电磁噪音最佳办法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一种分析,解决这种问题全新思路.

　　4.1.3、SPWM法

　　SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟,当前使用较广泛PWM法.前面提到采样控制理论中一种重要结论:

冲量相等而形状不同窄脉冲加在具备惯性环节上时,其效果基本相似.SPWM法就是以该结论为理论基本,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件通断,使其输出脉冲电压面积与所但愿输出正弦波在相应区间内面积相等,通过变化调制波频率和幅值则可调节逆变电路输出电压频率和幅值.该办法实既有如下几种方案.

　　4.1.3.1、等面积法

　　该方案事实上就是SPWM法原理直接阐释,用同样数量等幅而不等宽矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表方式生成PWM信号控制开关器件通断,以达到预期目.由于此办法是以SPWM控制基本原理为出发点,可以精确地计算出各开关器件通断时刻,其所得波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制缺陷.

　　4.1.3.2、硬件调制法

　　硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐缺陷而提出,其原理就是把所但愿波形作为调制信号,把接受调制信号作为载波,通过对载波调制得到所盼望PWM波形.普通采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到就是SPWM波形.其实现办法简朴,可以用模仿电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来拟定它们交点,在交点时刻对开关器件通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模仿电路构造复杂,难以实现精准控制.

　　4.1.3.3、软件生成法

　　由于微机技术发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因而,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办法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.

　　4.1.3.3.1、自然采样法[2]

　　以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形自然交点时刻控制开关器件通断,这就是自然采样法.其长处是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一种周期内不等距,从而脉宽表达式是一种超越方程,计算繁琐,难以实时控制.

　　4.1.3.3.2、规则采样法[3]

　　规则采样法是一种应用较广工程实用办法,普通采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波交点时刻控制开关器件通断,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,由阶梯波与三角波交点所拟定脉宽,在一种载波周期（即采样周期）内位置是对称,这种办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,由阶梯波与三角波交点所拟定脉宽,在一种载波周期（此时为采样周期两倍）内位置普通并不对称,这种办法称为非对称规则采样.

　　规则采样法是对自然采样法改进,其重要长处就是是计算简朴,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.其缺陷是直流电压运用率较低,线性控制范畴较小.

　　以上两种办法均只合用于同步调制方式中.

　　4.1.3.4、低次谐波消去法[2]

　　低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些重要低次谐波为目办法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表达为u（ωt）=ansinnωt,一方面拟定基波分量a1值,再令两个不同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谐波.

　　该办法虽然可以较好地消除所指定低次谐波,但是,剩余未消去较低次谐波幅值也许会相称大,并且同样存在计算复杂缺陷.该办法同样只合用于同步调制方式中.

　　4.1.4、梯形波与三角波比较法[2]

　　前面所简介各种办法重要是以输出波形尽量接近正弦波为目,从而忽视了直流电压运用率,如SPWM法,其直流电压运用率仅为86.6%.因而,为了提高直流电压运用率,提出了一种新办法--梯形波与三角波比较法.该办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,以两波交点时刻控制开关器件通断实现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运用率.但由于梯形波自身具有低次谐波,因此输出波形中具有5次,7次等低次谐波.

4.2、线电压控制PWM

　　前面所简介各种PWM控制办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,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样三相无中线对称负载,逆变器