脉冲宽度调制pwm百科.doc

1、脉冲宽度调制百科名片脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)，是英文 “Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。目录简介基本原理具体过程脉冲宽度调制优点控制方法等脉宽 PWM 法随机 PWMSPWM 法等面积法硬件调 制法软件生成法自然采样法规则采样法低次谐波消去法梯形波与三角波比较法线电压控制 PWM马鞍形波与三角波比较法单元脉宽调制法电流控制 PWM滞环比较法三角波比较法预测电流控制法空间电压矢量控制 PWM矢量控制 PWM直接转矩控制 PWM非线性控

2、制 PWM谐振软开关 PWM脉冲宽度调制相关应用领域具体应用简介PWM 软件法控制充电电流PWM 在推力调制中的应用展开编 辑 本 段 简 介脉 冲 宽 度 调 制 是 一 种 模 拟 控 制 方 式 ， 其 根 据 相 应 载 荷 的 变 化 来 调 制 晶 体 管 栅 极 或 基极 的 偏 置 ， 来 实 现 开 关 稳 压 电 源 输 出 晶 体 管 或 晶 体 管 导 通 时 间 的 改 变 ， 这 种 方 式 能 使 电源 的 输 出 电 压 在 工 作 条 件 变 化 时 保 持 恒 定 ， 是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电路 进 行 控 制 的

3、一 种 非 常 有 效 的 技 术 。 PWM 控 制 技 术 以 其 控 制 简 单 ,灵 活 和 动 态响 应 好 的 优 点 而 成 为 电 力 电 子 技 术 最 广 泛 应 用 的 控 制 方 式 ,也 是 人 们 研 究 的 热 点 。 由于 当 今 科 学 技 术 的 发 展 已 经 没 有 了 学 科 之 间 的 界 限 ,结 合 现 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 的 主 要 方 向 之 一 。 编 辑 本 段 基 本 原 理随 着 电 子 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 多 种 PWM

4、 技 术 ， 其 中 包 括 ： 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 的 脉 宽 PWM 法 ， 它 是 把 每 一 脉 冲 宽 度 均 相 等 的 脉 冲 列 作 为 PWM 波 形 ，通 过 改 变 脉 冲 列 的 周 期 可 以 调 频 ， 改 变 脉 冲 的 宽 度 或 占 空 比 可 以 调 压 ， 采 用 适 当 控 制 方法 即 可 使 电 压 与 频 率 协 调 变 化 。 可 以 通 过 调 整 PWM 的 周 期 、 PWM 的 占

5、空 比 而 达 到控 制 充 电 电 流 的 目 的 。 模 拟 信 号 的 值 可 以 连 续 变 化 ， 其 时 间 和 幅 度 的 分 辨 率 都 没有 限 制 。 9V 电 池 就 是 一 种 模 拟 器 件 ， 因 为 它 的 输 出 电 压 并 不 精 确 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 收 的 电 流 也 不 限 定 在 一 组 可 能的 取 值 范 围 之 内 。 模 拟 信 号 与 数 字 信 号 的 区 别 在 于 后 者 的 取 值 通 常 只 能 属 于 预 先 确 定的

6、可 能 取 值 集 合 之 内 ， 例 如 在 0V, 5V这 一 集 合 中 取 值 。 模 拟 电 压 和 电 流 可 直接 用 来 进 行 控 制 ， 如 对 汽 车 收 音 机 的 音 量 进 行 控 制 。 在 简 单 的 模 拟 收 音 机 中 ， 音 量 旋 钮被 连 接 到 一 个 可 变 电 阻 。 拧 动 旋 钮 时 ， 电 阻 值 变 大 或 变 小 ； 流 经 这 个 电 阻 的 电 流 也 随 之增 加 或 减 少 ， 从 而 改 变 了 驱 动 扬 声 器 的 电 流 值 ， 使 音 量 相 应 变 大 或 变 小 。 与 收 音 机 一 样 ，模 拟 电 路 的

7、输 出 与 输 入 成 线 性 比 例 。 尽 管 模 拟 控 制 看 起 来 可 能 直 观 而 简 单 ， 但它 并 不 总 是 非 常 经 济 或 可 行 的 。 其 中 一 点 就 是 ， 模 拟 电 路 容 易 随 时 间 漂 移 ， 因 而 难 以 调节 。 能 够 解 决 这 个 问 题 的 精 密 模 拟 电 路 可 能 非 常 庞 大 、 笨 重 (如 老 式 的 家 庭 立 体 声 设备 )和 昂 贵 。 模 拟 电 路 还 有 可 能 严 重 发 热 ， 其 功 耗 相 对 于 工 作 元 件 两 端 电 压 与 电 流 的 乘积 成 正 比 。 模 拟 电 路 还 可

8、能 对 噪 声 很 敏 感 ， 任 何 扰 动 或 噪 声 都 肯 定 会 改 变 电 流 值 的 大 小 。通 过 以 数 字 方 式 控 制 模 拟 电 路 ， 可 以 大 幅 度 降 低 系 统 的 成 本 和 功 耗 。 此 外 ， 许多 微 控 制 器 和 DSP 已 经 在 芯 片 上 包 含 了 PWM 控 制 器 ， 这 使 数 字 控 制 的 实 现 变 得 更加 容 易 了 。 编 辑 本 段 具 体 过 程脉 冲 宽 度 调 制 （ PWM） 是 一 种 对 模 拟 信 号 电 平 进 行 数 字 编 码 的 方 法 。 通 过 高 分辨 率 计 数 器 的 使 用 ，

9、方 波 的 占 空 比 被 调 制 用 来 对 一 个 具 体 模 拟 信 号 的 电 平 进 行 编 码 。PWM 信 号 仍 然 是 数 字 的 ， 因 为 在 给 定 的 任 何 时 刻 ， 满 幅 值 的 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)的 重 复 脉 冲 序 列被 加 到 模 拟 负 载 上 去 的 。 通 的 时 候 即 是 直 流 供 电 被 加 到 负 载 上 的 时 候 ， 断 的 时 候 即 是 供电 被 断 开 的 时 候 。 只 要 带 宽 足 够 ，

10、任 何 模 拟 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 的 调 制 频 率 高 于 10Hz， 通 常 调 制 频率 为 1kHz 到 200kHz 之 间 。 许 多 微 控 制 器 内 部 都 包 含 有 PWM 控 制 器 。 例 如 ，Microchip 公 司 的 PIC16C67内 含 两 个 PWM 控 制 器 ， 每 一 个 都 可 以 选 择 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 的 倒 数 。 执 行

11、PWM 操 作 之 前 ，这 种 微 处 理 器 要 求 在 软 件 中 完 成 以 下 工 作 ： 1、 设 置 提 供 调 制 方 波 的 片 上 定 时器 /计 数 器 的 周 期 2、 在 PWM 控 制 寄 存 器 中 设 置 接 通 时 间 3、 设 置 PWM输 出 的 方 向 ， 这 个 输 出 是 一 个 通 用 I/O 管 脚 4、 启 动 定 时 器 5、 使 能 PWM控 制 器 目 前 几 乎 所 有 市 售 的 单 片 机 都 有 PWM 模 块 功 能 ， 若 没 有 （ 如 早 期 的8051） ， 也 可 以 利 用 定 时 器 及 GPIO 口 来 实 现

12、。 更 为 一 般 的 PWM 模 块 控 制 流 程 为（ 笔 者 使 用 过 TI 的 2000系 列 ， AVR 的 Mega 系 列 ,TI 的 LM 系 列 ） ： 1、 使 能相 关 的 模 块 （ PWM 模 块 以 及 对 应 管 教 的 GPIO 模 块 ） 。 2、 配 置 PWM 模 块 的功 能 ， 具 体 有 ： ： 设 置 PWM 定 时 器 周 期 ， 该 参 数 决 定 PWM 波 形 的 频 率 。 ： 设 置 PWM 定 时 器 比 较 值 ， 该 参 数 决 定 PWM 波 形 的 占 空 比 。 ： 设 置 死区 （ deadband） ， 为 避 免

13、桥 臂 的 直 通 需 要 设 置 死 区 ， 一 般 较 高 档 的 单 片 机 都 有 该 功 能 。： 设 置 故 障 处 理 情 况 ， 一 般 为 故 障 是 封 锁 输 出 ， 防 止 过 流 损 坏 功 率 管 ， 故 障 一般 有 比 较 器 或 ADC 或 GPIO 检 测 。 ： 设 定 同 步 功 能 ， 该 功 能 在 多 桥 臂 ， 即 多PWM 模 块 协 调 工 作 时 尤 为 重 要 。 3、 设 置 相 应 的 中 断 ， 编 写 ISR， 一 般 用 于 电压 电 流 采 样 ， 计 算 下 一 个 周 期 的 占 空 比 ， 更 改 占 空 比 ， 这 部

14、 分 也 会 有 PI 控 制 的 功 能 。4、 使 能 PWM 波 形 发 生 。 编 辑 本 段 脉 冲 宽 度 调 制 优 点PWM 的 一 个 优 点 是 从 处 理 器 到 被 控 系 统 信 号 都 是 数 字 形 式 的 ， 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改变 为 逻 辑 0或 将 逻 辑 0改 变 为 逻 辑 1时 ， 也 才 能 对 数 字 信 号 产 生 影 响 。 对 噪 声 抵抗 能 力 的 增 强 是 PWM 相 对 于 模 拟

15、控 制 的 另 外 一 个 优 点 ， 而 且 这 也 是 在 某 些 时 候 将PWM 用 于 通 信 的 主 要 原 因 。 从 模 拟 信 号 转 向 PWM 可 以 极 大 地 延 长 通 信 距 离 。 在 接收 端 ， 通 过 适 当 的 RC 或 LC 网 络 可 以 滤 除 调 制 高 频 方 波 并 将 信 号 还 原 为 模 拟 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 的 有 效 技 术 。 编 辑 本 段 控 制 方 法采 样 控 制 理 论

16、中 有 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 .PWM 控 制 技 术 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基 础 ,对 半 导 体 开 关 器 件的 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 的 脉 冲 ,用 这 些 脉冲 来 代 替 正 弦 波 或 其 他 所 需 要 的 波 形 .按 一 定 的 规 则 对 各 脉 冲 的 宽 度 进 行 调 制 ,既 可 改变 逆 变 电 路 输 出 电 压 的 大 小

17、,也 可 改 变 输 出 频 率 . PWM 控 制 的 基 本 原 理 很 早 就 已经 提 出 ,但 是 受 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

18、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 ,到 目 前 为 止主 要 有 以 下 8类 方 法 . 等 脉 宽 PWM 法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装 置 在 早 期 是 采 用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控 制 技 术 来 实 现 的 ,其 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 法 正

19、是 为 了 克 服 PAM 法 的 这 个 缺 点 发 展 而 来 的 ,是 PWM法 中 最 为 简 单 的 一 种 .它 是 把 每 一 脉 冲 的 宽 度 均 相 等 的 脉 冲 列 作 为 PWM 波 ,通 过 改 变脉 冲 列 的 周 期 可 以 调 频 ,改 变 脉 冲 的 宽 度 或 占 空 比 可 以 调 压 ,采 用 适 当 控 制 方 法 即 可 使电 压 与 频 率 协 调 变 化 .相 对 于 PAM 法 ,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 同 时 也 存 在 输 出 电 压 中 除 基 波 外 ,

20、还 包 含 较 大 的 谐 波 分 量 . 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 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 (在 线 性 频 率 坐 标 系 中 ,各 频 率 能 量 分 布

21、是 均 匀 的 ),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 .正 因 为 如 此 ,即 使 在 IGBT 已 被 广 泛 应 用 的 今 天 ,对 于 载 波 频 率 必 须 限 制 在 较 低 频 率 的 场 合 ,随 机PWM 仍 然 有 其 特 殊 的 价 值 ;另 一 方 面 则 说 明 了 消 除 机 械 和 电 磁 噪 音 的 最 佳 方 法 不 是 盲目 地 提 高 工 作 频 率 ,随 机 PWM 技 术 正 是 提 供 了 一 个 分 析 ,解 决 这 种 问 题 的 全 新 思 路

22、. SPWM 法SPWM(Sinusoidal PWM)法 是 一 种 比 较 成 熟 的 ,目 前 使 用 较 广 泛 的 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 法 就 是 以 该 结 论 为 理 论 基 础 ,用 脉 冲 宽 度 按 正 弦 规律 变 化 而 和 正 弦 波 等 效 的 PWM 波 形 即 SPWM 波 形 控 制 逆 变 电 路 中 开 关 器 件 的 通 断 ,使 其 输 出 的 脉

23、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 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 .该 方 法 的 实 现 有 以下 几 种 方 案 . 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

24、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 为 出 发 点 ,可 以 准 确 地 计 算 出 各 开 关 器 件 的 通 断 时 刻 ,其 所 得 的的 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 的 缺 点 . 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 就 是 把 所 希 望 的波 形 作 为 调 制 信 号 ,把

25、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 .通 常 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 的 就 是SPWM 波 形 .其 实 现 方 法 简 单 ,可 以 用 模 拟 电 路 构 成 三 角 波 载 波 和 正 弦 调 制 波 发 生 电 路 ,用 比 较 器 来 确 定 它 们 的 交 点 ,在 交 点 时 刻 对 开 关 器 件 的 通 断 进 行 控 制 ,就 可 以 生 成SPWM 波 .但 是 ,这 种 模 拟 电 路 结 构 复 杂 ,难 以

26、 实 现 精 确 的 控 制 . 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 . 自 然 采 样 法以 正 弦 波 为 调 制 波 ,等 腰 三 角 波 为 载 波 进 行 比 较 ,在 两 个 波 形 的 自 然 交 点 时 刻 控 制开 关 器 件 的 通 断 ,这 就 是 自 然 采 样 法

27、.其 优 点 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 个 周 期 内 不 等 距 ,从 而 脉 宽 表 达 式 是 一 个超 越 方 程 ,计 算 繁 琐 ,难 以 实 时 控 制 . 规 则 采 样 法规 则 采 样 法 是 一 种 应 用 较 广 的 工 程 实 用 方 法 ,一 般 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 的 交 点 时 刻 控 制 开 关 器件 的

28、 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

29、 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 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 . 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

30、 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(t)=ansinnt,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

31、 用 于 同 步 调 制 方 式 中 . 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

32、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 . 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

33、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 . 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

34、 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

35、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 . 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 U

36、uv,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

37、 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

38、 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 . 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 . 滞 环 比 较 法这 是 一 种 带

39、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 . 三 角 波 比 较 法该 方 法

40、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 . 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

41、 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 . 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

42、 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

43、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

44、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 . 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

45、 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

46、 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 . 直

47、 接 转 矩 控 制 PWM1985年 德 国 鲁 尔 大 学 Depenbrock 教 授 首 先 提 出 直 接 转 矩 控 制 理 论 (Direct Torque Control 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

48、 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 . 但 直 接 转 矩 控 制 也 存 在 缺 点 ,如 逆 变 器 开 关 频 率 的 提 高 有 限 制 . 非 线 性 控 制 PWM单

49、周 控 制 法 7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 .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