1、 1 1.PWM 简介 脉宽调制 （ PWM） 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。 简而言之， 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，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，任何模拟
2、值都可以使用 PWM 进行编码。 2.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。 PWM 控制技术 一直是变频技术的核心技术之一。 1964 年 A.Schon
3、ung和 H.stemmler 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的 PWM 信号输出，可 以说直到目前为止， PWM 在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。 由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。 PWM 控制技术大致可以为为三类，正弦 PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种 PWM 方案，2 多重 PWM 也应归
4、于此类），优化 PWM 及随机 PWM。正弦 PWM 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重 PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000 系列和美国 ROBICON 公司的完美无谐波系列等 ）；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率（ THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。 在 70 年代开始至 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，载波频率一般最高不超过 5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机 PWM 方法应运而生。其原理是随机改
5、变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），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（ DTC 控制即为一例）；别一方面则告诉人们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，因为随机 PWM 技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。 3.几种 PWM 控制方法 采样控制理论中有一个重要结论 :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
6、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 ,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的应用 ,PWM 控制技术获得了空
7、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 . 3.1 相电压控制 PWM 等脉宽 PWM 法 3 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
8、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 ,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 ,各频率能量分布是均匀的 ),尽管噪音的总分贝数未变 ,但以固定 开
9、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 . 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
10、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 . 3.1.1 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4 地计算出各开关器件的通断时刻 ,其所得的的波形
11、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 . 3.1.2 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 ,难以实现精确的控制 . 3.1.3 软件生成法
12、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 . 3.2 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 . 3.2.1 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
13、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 5 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 .
14、3.2.2 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
15、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 . 3.2.3 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
16、各开关器件的通断 ,使实际输出随指令信号的改变而改变 . 6 致谢 本文的研究和写作工作是在导师黄亮老师的悉心指导下和热心的帮助下完成的。在半个学期的学习和工作中，黄老师的教诲和关怀使我获益匪浅。他始终关心我的研究工作，指导我的工作方向。在遇到困难，放松懈怠的时候，意志消沉时，他鼓励我勇敢地去面对困难，帮助我出谋划策，克服困难，使我的课题能够顺利进行。黄老师在学业上给予了我精心的指导和帮助，他是一个和善的人，黄老师的高尚人格，渊博的知识，在论文定稿之际，向我的老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢 。 感谢我的家人对我求学的支持鼓励！ 感谢黄宬学长与袁博学长无私的帮助，因为他牺牲了宝贵的时间，给予耐心的引导和提供资料，一起研究论文。 感谢本论参考文献中所有的专家学者们，是他们的智慧成果，给我启迪和帮助。 最后，谨向审阅本文的专家，以及所有关心本文工作的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意！
