一、脈寬調制PWM簡介：

PWM的理論基礎為面積等效原理，這個原理簡單描述就是沖量相等（信號對時間的積分，即面積）而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同；沖量即窄脈沖的面積，所說的效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出波形基本相同。如果把各輸入波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻略有差異。

脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。脈沖寬度調制是一種以數字方式控制模擬電路的方式，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

1，模擬控制方式的不足：

（1）模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節(jié)；

（2）高要求的精密模擬電路可能非常龐大、笨重和昂貴；

（3）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；

（4）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；

脈沖寬度調制（PWM）可以認為是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。被控制電路的電壓或電流源，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。理論上只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼，通常開關調制頻率為1kHz到200kHz之間。

2，PWM具有以下特點：

（1）高效性：PWM信號的脈沖寬度可以根據需要進行調整，因此可以有效地控制電路中的功率輸出，相比傳統(tǒng)的模擬電路具有更高的效率和更低的功耗；

（2）靈活性：PWM信號可以通過改變占空比來實現(xiàn)對電路中電壓和電流的精確控制，這種靈活性使得PWM廣泛應用于各種應用場景中；

（3）穩(wěn)定性：PWM信號的脈沖寬度是固定的，因此可以提供更加穩(wěn)定的輸出信號，這對于一些需要高精度控制的應用場景非常重要；

（4）抗干擾：在PWM電路中，噪聲只有在強到足以混淆邏輯0和1，也才能對數字信號產生影響，因此電路的抗干擾能力很強；

（5）簡單性：相對于其他調制技術而言，PWM具有相對簡單的特點。它可以通過簡單的數字信號處理器或微控制器實現(xiàn)，是非常實用的技術手段。

PWM技術與傳統(tǒng)的采樣調制技術相比，具有高效性和低失真的優(yōu)勢。由于脈沖信號的帶寬很窄，所以頻譜分布較集中，不會出現(xiàn)在其他頻段干擾其他信號的情況。此外，PWM技術還可以通過瞬間提供大量功率來滿足高功率負載的需要。

二、PWM的主要方法

PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點，成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等。到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術，根據PWM控制技術的特點，到目前為止主要有以下8種方法：

1，相電壓控制PWM：包括等脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法和梯形波與三角波比較法。

（1）等脈寬PWM法：它用等寬脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期實現(xiàn)調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，整體電路結構簡單，但也存在輸出電壓包含較大的諧波的問題。

（2）隨機PWM：可以改善電機的電磁噪音及諧波造成的振動，其原理是隨機改變開關頻率，使得電機電磁噪音近似為限帶白噪聲，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，隨機PWM仍然有其特殊的價值。

（3）SPWM法：SPWM(正弦波脈寬調制)法是一種成熟且應用廣泛的PWM法，在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排，當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小。該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案：

???A, 等面積法，用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，其所得的的波形很接近正弦波，但存在計算繁瑣，數據占用內存大，不能實時控制的缺點；

???B, 硬件調制法：把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號（通常采用等腰三角波）作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，但是這種模擬電路結構復雜，難以實現(xiàn)精確的控制；

???C, 軟件生成法：得用軟件生成SPWM波形，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法；

???D, 低次諧波消去法：該方法只適用于同步調制方式其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開，該方法可以很好地消除所指定的低次諧波，但是存在計算復雜的缺點。

（4） 梯形波與三角波比較法：當輸出波形盡量接近正弦波時，其直流電壓利用率僅為86.6%，為了提高直流電壓利用率，可以采用梯形波與三角波比較法，該方法是采用梯形波作為調制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現(xiàn)PWM控制，從而可以有效地提高直流電壓利用率，但由于梯形波本身含有低次諧波，因此輸出波形中含有5次,7次等低次諧波。

2，線電壓控制PWM：包括馬鞍形波與三角波比較法和單元脈寬調制法。

（1）馬鞍形波與三角波比較法：其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，幅值會明顯降低，可以有效提高直流電壓利用率。

應用在三相無中線系統(tǒng)中，在合成線電壓時各相電壓中的這些諧波會互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。

（2）單元脈寬調制法：三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關系，用三相線電壓波形作為脈寬調制的參考信號，載波仍用三角波，可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規(guī)律性很強。該方法可以抑制較多的低次諧波，可減小開關損耗和加寬線性控制區(qū)，可以用微機來控制，適用于異步電動機。

3，電流控制PWM：將希望輸出的電流波形作為指令信號，將實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變，主要包括滯環(huán)比較法、三角波比較法和預測電流控制法三種。

（1）滯環(huán)比較法：一種帶反饋的PWM控制方式，使得實際電流跟蹤給定電流的變化，具備電路簡單、動態(tài)性能好、輸出電壓不含特定頻率的諧波分量等優(yōu)點，但是噪音和電流諧波問題比較嚴重。

（2）三角波比較法：把指令電流與實際輸出電流進行比較求出偏差電流，通過放大器放大后再和三角波進行比較產生PWM波，這種方式頻率固定，但是電流響應不如滯環(huán)比較法快；

（3）預測電流控制法：根據實際電流誤差、負載參數及其它負載變量來預測電流誤差矢量趨勢，在下一個調節(jié)周期減小所預測的誤差，該方法可獲得比較快速,準確的響應。

4，空間電壓矢量控制PWM：也叫磁通正弦PWM法，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成PWM波形。具體又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式，磁通開環(huán)法輸出電壓比正弦波調制時提高15%，磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，克服了磁通開環(huán)法的一些不足，減小了電機的脈動和噪音。

5，矢量控制PWM：矢量控制也稱磁場定向控制，其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度,磁場兩個分量進行獨立控制。但是由于轉子磁鏈難以準確觀測以及矢量變換的復雜性，實際控制效果往往難以達到理論分析的效果。

6，直接轉矩控制PWM：它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

7，非線性控制PWM：又稱積分復位控制(IRC)，其基本思想是控制開關占空比，同時具有調制和控制的雙重性。這種新型非線性控制技術克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，具備反應快，開關頻率恒定，魯棒性強等優(yōu)點，還能優(yōu)化系統(tǒng)響應，減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

8，諧振軟開關PWM：其基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓撲的基礎上附加一個諧振網絡，使電力電子器件在開關點上實現(xiàn)軟開關過程，既保持了PWM技術的特點，又實現(xiàn)了軟開關技術，不足之處是會帶來了諧振損耗。

三、PWM控制器應用領域

PWM技術在眾多領域都有著廣泛的應用，其中包括電力電子、調光控制、音頻處理、通信技術等。PWM控制技術主要應用在電力電子技術行業(yè)，包括風力發(fā)電、電機調速、直流供電等領域，由于其四象限變流的特點，可以反饋再生制動的能量，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。

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