PWM控制技术论文

PWM控制技术论文

西安科技大学

电气与控制工程学院

电气工程及其自动化1401班

赵蕾 1406060102

2016年6月12日

PWM控制技术

赵蕾

（电气与控制工程学院电气1401班 1406060102）

简介：

PWM（Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需的波形（含形状和幅值）。通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛的应用于电动机的调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式。

脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）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。

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。

关键词：PWM；电力；计算机

关于PWM技术

基本原理：

采样控制理论中有一个重要的理论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输入波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频略有差异。（面积等效原理）这是PWM控制技术的重要基础理论。

特点：

开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

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，在进行数模转换。可将噪声影响降到最低。

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。

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控制技术大致可以分为三类：

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正弦PWM（包括电压、电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类）。

正弦PWM已为人们所熟知。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。

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优化PWM

优化PWM所追求的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。

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随机PWM

SPWM（正弦脉宽调制）

引言：

工程实际中应用最多的是正弦PWM法（简称SPWM),它是在每个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应每一份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅不等宽的矩形脉冲面积来等效。各矩形脉冲的宽度可自由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉冲：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可以生成SPWM波形。

在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉冲调制。

1.单极性SPWM法

(1)调制波和载波：曲线①是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线②是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。(2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。

图：单极性SPWM

2.双极性SPWM法

(1)调制波和载波：

双极型控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥壁中的两只元件均处于开关状态，但他们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制。与单极性控制方式相比，载波和控制波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也是任意半周中均出现正负交替的情况。

调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线①，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。

(2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。

图：双极性SPWM 波形

SPWM生成方法：

正弦脉宽调制波（SPWM）的生成方法可分为硬件电路与软件编程两种生成方式。可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，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构负载，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成的SPWM波形变得比较容易，因此，目前SPWM 波形的生成和控制多用微机来实现。

实施要求：

(1)必须实时地计算调制波(正弦波)和载波(三角波)的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出“通”和“断”的动作指令。

(2)调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变(改变的规律本文不作介绍)；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变，所以，每次调节后，所交点的时间坐标都必须重新计算。要满足上述要求，只有在计算机技术取得长足进步的20世纪80年代才有可能，同时，又由于大规模集成电路的飞速发展，迄今，已经有能够产生满足要求的SPWM波形的专用集成电路了。

应用简介

具体应用：

SA8281型SPWM波发生器原理及在变频器中的应用

脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术以及现代调速系统的发展起到极大的促进作用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频SPWM(正弦脉宽调制)技术在电机调速中得到了广泛应用。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测。保护和控制等。基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单。功能齐全。性能价格比高。可靠性好等优点。

单片机生成：

市场上使用的很多单片机都有生成SPWM控制波形的功能，该生成波形外接驱动电路即可驱动功率桥，达到逆变的目的。应该说，只要具有PWM模块和定时器模块的单片机都可以完成此任务。

具体实现即首先将正弦表赋值给数组。然后PWM波形发生模块每个PWM周期进入中断，在ISR中按照正弦表更改PWM比较器的值，依次循环即可。

总结：

SPWM（Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前应用较广泛的PWM法。它是在PWM的基础上改变了调制的脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛的应用于直流交流逆变器等，三相SPWM是使用SPWM 模拟市场的三相输出，在变频领域被广泛的采用。

SVPWM(空间矢量脉宽调制）

引言：

SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，相对于传统的SPWM方法，其功率器件的开关次数可减少1/3，直流电压利用率可提高15%，转矩脉动小、噪声低，谐波抑制效果好，且易于数字化实现。

SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。

原理：

SVPWM的原理是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM技术应用于交流调速系统中不但改善了脉宽调制((PWM)技术存在电压利用率偏低的缺点，而且具有转矩脉动小、噪声低等优点。普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来（同一个桥臂的上下半桥的信号相反）共有8种安全的开关状态. 其中000、111（这里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。

当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压波形近似于正弦波。

在变频电机驱动时，矢量方向是连续变化的，因此我们需要不断的计算矢量作用时间。为了计算机处理的方便，在合成时一般是定时器计算（如每0.1ms计算一次）。这样我们只要算出在0.1ms内两个基本矢量作用的时间就可以了。由于计算出的两个时间的总和可能并不是0.1ms(比这小)，而那剩下的时间就按情况插入合适零矢量。由于在这样处理时，合成的驱动波形和PWM很类似。因此我们还叫它PWM，又因这种PWM是基于电压空间矢量去合成的，所以就叫它SVPWM了。

基本电压空间矢量：

当三相逆变器(180导通方式)对PMSM供电时，定子电压由逆变器三组6个功率管的开关状态确定。由逆变器各桥臂不同的开关状态，可以得到8个基本电压矢量，包括2个零矢量和6个非零电压矢量。6个非零矢量的幅值相同，相邻的矢量互差60°每个矢量长度均等于2Udc /3。(0 0 0)和(1 1 1)两个状态矢量为零矢量，其长度等于零，位于坐标原点。这8个空间矢量被称为基本电压空间矢量，分别记为Uo、 U1、U2、U3、U4、U5、U6、O、和Om，其空间分布如图所示

图：基本电压矢量分布图

SVPWM控制原理

1.SVPWM的控制算法

SVPWM控制算法的思想是:当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。若以交流电机中的理想磁链圆为基准圆，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用正多边形磁链近似圆形磁链，以形成旋转磁场，就可以达到控制电机的目的。

SVPWM向量、扇区、波形、矢量合成图

2. 磁链轨迹的控制

SVPWM方法的目的是用基本空间电压矢量来逼近电机所需的电压矢量UOUT，一般所用方法是在一个采样周期TPWM内使逆变器输出电压的平均值跟UOUT相等。如图2所示，UOUT可由两相邻非零基本空间电压矢量Ux和Ux 60的线性时间组合来得到。

3. 空间电压矢量的扇区判定

6个非零电压空间矢量将空间分为6个区域，每个区域对应一个扇区号，如图1中的I，II，III，IV，V，VI。如果知道了UOUT所在的扇区，就能确定用来合成UOUT的2个相邻的基本电压空间矢量。

4. SVPWM输出模块

将三角波与矢量的切换点比较，利用滞环控制实现SVPWM信号。当矢量的切换点与三角波进行比较时，若其差值大于滞环比较器所定义的滞环宽度，逆变器所对应的功率开关器件正向导通，负向关断;反之，若差值小于滞环宽度时，功率开关器件状态不变。从而生成三相桥臂逆变器功率开关器件的6组控制信号。

SVPWM的主要特点有：

（1）在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。

（2）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。

（3）逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。

总结：

SVPWM控制主要是当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，本文通过对SVPWM算法控制来进行分析，使其能够向逆变器按时输出SVPWM

SVPWM与PWM、SPWM的比较：

PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶体管(常用MOS、IGBT等全控型器件)工作在开关状态，晶体管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶体管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶体管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。

对比SVPWM的产生原理可知，SVPWM本身的产生原理与PWM没有任何关系，只是形似。

SPWM：正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda 、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。

SVPWM与SPWM的原理和来源有很大不同，但是他们确实殊途同归的。SPWM由三角波与正弦波调制而成，而SVPWM却可以看作由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成，这点可以从数学上证明。

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