PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述(一)

1、PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述 一摘要：總結(jié) PWM 技術(shù)問世至今各種主要的實(shí)現(xiàn)方法， 及它們的根本工 作原理，并分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞： PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法工作原理0 引言 采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：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，其效果根本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論 為理論根底，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得 到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或 其他所需要的波形。按一定的規(guī)那么對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改 變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM 控制的根本原理很早就已經(jīng)提出， 但是受電力電子器件開

2、展水平 的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年 代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速開展， PWM 控制技術(shù)才真 正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的開展 以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng) 用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的開展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM 控制技術(shù)， 根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn)， 到目前為止主要有以下 8 類方 法。1 相電壓控制 PWM1.1 等脈寬 PWM 法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是采用 PAM(PulseAmplitudeM

3、odulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其逆變器局部只能 輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個缺點(diǎn)開展而來的，是 PWM 法中最為簡單的一種。它是 把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波，通過改變脈沖列的周 期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法 即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對于 PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了 電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時也存在輸出電壓中除基 波外，還包含較大的諧波分量。1.2隨機(jī) PWM 在上世紀(jì) 70 年代開始至上世紀(jì) 80 年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主 要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻

4、率一般不超過5kHz電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限 帶白噪聲 (在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的 )，盡管噪音 的總分貝數(shù)未變， 但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。 正因?yàn)槿绱耍词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限 制在較低頻率的場合， 隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價值； 另一方面那么說 明了消除機(jī)械和電磁噪音的最正確方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī) PWM 技術(shù)正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。1.3SPW M 法SPWM(Si nuso

5、idalPWM法是一種比擬成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：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，其效果根本相同。 SPWM 法就 是以該結(jié)論為理論根底，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效 的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸 出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等， 通過改變調(diào)制波的頻率和幅值那么可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅 值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。1.3.1 等面積法 該方案實(shí)際上就是 SPWM 法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不 等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，

6、然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并 把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中， 通過查表的方式生成 PWM 信號控制開關(guān)器件 的通斷，以到達(dá)預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的根本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的的波 形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控 制的缺點(diǎn)。硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是 把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對 載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波， 當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是 SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡 單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波

7、和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比擬 器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可 以生成 SPWM 波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控 制。1.3.3 軟件生成法由于微機(jī)技術(shù)的開展使得用軟件生成 SPWM波形變得比擬容易，因此,軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的 方法，其有兩種根本算法，即自然采樣法和規(guī)那么采樣法。自然采樣法 以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比擬，在兩個波形的自然 交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得 SPWM 波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈 沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬

8、表達(dá)式是一個超越方程，計(jì)算 繁瑣，難以實(shí)時控制。規(guī)那么采樣法 規(guī)那么采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載 波。其原理就是用三角波對正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波 與三角波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn) SPWM法。當(dāng)三 角波只在其頂點(diǎn) 或底點(diǎn) 位置對正弦波進(jìn)行采樣時， 由階梯波與三角波 的交點(diǎn)所確定的脈寬， 在一個載波周期 即采樣周期 內(nèi)的位置是對稱的， 這種方法稱為對稱規(guī)那么采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時刻對正 弦波進(jìn)行采樣時，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個載 波周期 (此時為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱， 這種方法稱為 非對稱規(guī)那

9、么采樣。規(guī)那么采樣法是對自然采樣法的改良，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單，便 于在線實(shí)時運(yùn)算，其中非對稱規(guī)那么采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其 缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。1.3.4 低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去 PWM 波形中某些主要的低次諧波為目的的 方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為 u( 3 t)=ansinn ,首先確定基波分量al的值，再令兩個不同的an=O, 就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得 al, a2及a3,這樣就可以消去兩個 頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的 較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該 方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。1.4 梯形波與三角波比擬法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從 而無視了直流電壓的利用率，如 SPWM 法，其直流電壓利用率僅為 86.6%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法梯形波與三角波比擬法。該方