脉冲宽度调制(PWM)技术
脉宽调制(PWM)技术
现代电力电子及变流技术第四章脉宽调制(PWM)技术脉宽调制技术：按同一比例改变在ur 和uc交点时刻控制IGBT 的通断u r 和uc的点时刻制IGBT 的通断控制公用三角波载波uc 三相的调制信号依次u c u rW单相逆变器结构特点电路结构特征：2个桥臂输出电压：ab ag bg V V V =−结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。
�逆变器共有4种开关状态—S a S b ：00，01，10，11。
开关状态与电压的关系4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现结构特点�两个桥臂电压V ag 和V bg 分别独立可控——控制存在两个自由度；�由于连接了负载，输出电压V ab 具有唯一性——只有一个自由度。
如何分析两维的桥臂电压和一维的输出电压之间的联系？几何分析方法矢量空间�桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别代表两个垂直方向——桥臂电压空间；�输出电压只有一个自由度，构成一维空间 ——输出电压空间。
4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现桥臂电压和输出电压的联系�采用投影方式建立联系；�开关状态(00)，(11)形成的两个桥臂电压——对应一个输出电压(0V)。
这一投影具有唯一性投影关系ag ab bg 01111V V V V −⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦V 0是零序电压*11ag 22ab 11bg 220*V V V V ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎣⎦逆变器控制方法V 0*为一定范围的任意数注：V 0*取常数（如V i ）时，Vag 和Vbg 的驱动波形可以设计。
例：V ab *取0.5V i ， V 0*取V iV ag 取0.75V i ， V bg 取0.25V ia 桥臂上管b 桥臂下管b 桥臂上管a 桥臂下管4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现V 0*取其他值会怎样？ V 0*有没有一个取值原则？4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现三相逆变器结构特点结构特征：3个桥臂电路特征：()ng ag bg cg 3V V V V =++结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。
pwm脉宽调制原理
pwm脉宽调制原理
PWM脉宽调制原理
PWM，即脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种通过控制信号的脉冲宽度来实现模拟信号的技术。
在电子领域中，PWM技术被广泛应用于控制系统、变频调速、电源供应等方面。
PWM脉宽调制原理基本上可以概括为通过改变信号的占空比来控制输出信号的电压或功率。
在PWM脉宽调制中，信号的周期是固定的，而脉冲的宽度则根据控制信号的变化而改变。
通过控制脉冲的宽度，可以实现对输出信号的精确控制。
通常情况下，信号的占空比被定义为脉冲的宽度与周期的比值，通常以百分比表示。
PWM脉宽调制技术的原理可以简单地解释为：当信号的占空比增大时，输出信号的电压或功率也会随之增大；反之，当信号的占空比减小时，输出信号的电压或功率也会相应减小。
因此，通过改变信号的占空比，可以实现对输出信号的精确控制。
在实际应用中，PWM脉宽调制技术被广泛应用于电子设备中，如直流电机的调速控制、逆变器的控制、电源供应的调节等。
通过PWM 技术，可以实现对电子设备的精确控制，提高系统的稳定性和效率。
除了在电子设备中的应用外，PWM脉宽调制技术还被广泛应用于照明领域。
通过调节LED灯的PWM信号，可以实现对灯光的亮度和
颜色的精确控制，实现节能和环保的效果。
总的来说，PWM脉宽调制技术是一种非常有效的控制技术，可以广泛应用于电子设备、照明领域等各个领域。
通过控制信号的脉冲宽度，可以实现对输出信号的精确控制，提高系统的稳定性和效率。
PWM技术的不断发展和应用将为电子领域带来更多的创新和发展。
PWM的名词解释
PWM的名词解释PWM，即脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种在电子工程领域中常见的技术。
它在控制电子设备中功率输出以及速度调节等方面有着广泛应用。
一、什么是PWM？脉宽调制是一种控制技术，通过改变信号的脉冲宽度来控制电路输出的电平。
在PWM中，理论上电路输出总是以高低电平交替出现，但通过改变高电平和低电平之间的脉冲宽度，可以控制电路输出的平均电压或平均功率。
脉宽调制最常见的一种形式是矩形脉冲波，它由固定的周期和可调节的脉冲宽度组成。
脉冲宽度的调节可以在一定的周期内不断变化，从而实现对输出信号的控制。
二、PWM的原理PWM技术的核心原理是基于周期性的脉冲信号。
当脉冲的宽度增加时，电路输出的平均值也会相应增加。
换句话说，脉冲宽度越宽，输出的功率或电压就越高，而脉冲宽度越窄，输出的功率或电压就越低。
具体来说，PWM技术通过不断改变脉冲信号的高电平时间和低电平时间的比例来控制输出信号。
这样做的好处是可以在保证信号稳定性的前提下，精确地调节输出的平均电压或平均功率。
三、PWM的应用领域1. 电机控制：PWM技术广泛应用于电机控制领域。
通过改变PWM脉冲的宽度，可以调节电机的转速。
例如，调速风扇、电动车等就是利用PWM技术来控制电机转速的典型应用。
2. LED调光：PWM技术在LED照明领域也有重要应用，可以通过改变PWM 信号的脉冲宽度来控制LED灯的亮度。
这种方式相对于传统的电阻调光，具有更高的效率和更精确的调节范围。
3. 电源管理：PWM技术在电源管理中也扮演着重要角色。
通过PWM控制器可以实现高效、稳定的电源输出，弥补传统的线性稳压电路的不足。
4. 音频放大：PWM技术也常被应用于音频系统中。
通过控制PWM脉冲的宽度和频率，可以达到高保真度的音频放大效果。
四、PWM的优点与局限性1. 优点：- 精确控制：通过改变脉冲宽度和周期，可以实现对输出信号的精确控制，使其满足特定要求。
PWM波的原理和应用
PWM波的原理和应用1. 原理概述脉冲宽度调制（PWM）是一种调制技术，通过调整脉冲信号的宽度来控制输出信号的平均功率。
PWM波的形式类似于脉冲信号，但它的周期固定，只有脉冲宽度发生变化。
PWM波能够利用数字信号来模拟连续的模拟信号，被广泛应用在电力电子领域、自动化控制系统等领域。
2. PWM波的生成方式在数字电路中，PWM波通常通过计数器和比较器来生成。
生成PWM波的基本步骤如下： 1. 设置计数器的初始值。
2. 计数器不断递增，当计数器的值小于比较器的值时，输出逻辑高电平；当计数器的值大于或等于比较器的值时，输出逻辑低电平。
3. 当计数器的值达到设定的周期时，重新设置计数器的初始值。
3. PWM波的应用3.1 电力电子领域PWM波在电力电子领域发挥着重要的作用，常见应用有： - 变频调速控制：将PWM波直接应用在交流电动机上，可以通过改变PWM波的占空比控制电机转速，实现变频调速。
- 逆变器：逆变器中利用PWM波控制电路的开关状态，将直流电源输出转换为交流电源输出。
- 电力转换器：PWM波可以应用在各种电力转换器中，如交流电压调节器、直流电源和电焊机等。
3.2 自动化控制系统PWM波在自动化控制系统中也有广泛的应用，例如： - 数字-模拟转换器（DAC）：PWM波可以通过滤波电路转换为模拟信号，用于输出到模拟设备。
- 舵机控制：舵机通常使用PWM波进行控制，通过改变PWM波的占空比控制舵机转角。
- LED调光：PWM波可以用于控制LED的亮度，通过改变PWM波的占空比来实现亮度调节。
3.3 在音频和视频领域的应用•音频信号处理：PWM波可以模拟模拟音频信号，通过改变PWM波的占空比来实现音频信号的调节，例如音量控制。
•音频放大器：PWM波可以应用在音频放大器中，将输入音频信号转换为PWM波，再通过滤波电路得到模拟音频信号输出。
•数字电视和显示器：PWM波可以用于控制LED背光的亮度，通过改变PWM波的占空比来实现灰度调制。
电力电子技术第7章 脉宽调(PWM)技术
17-82
7.2.1 计算法和调制法
一般在输出电压半周期内，器件通、断各2k次， 考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时 刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可 消去k－1个频率的特定谐波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在
7.3节介绍。
18
• 第5、6章已涉及到PWM控制：第5章直流斩波 电路采用的就 PWM 技术；第 6 章的 6.1 斩控式 调压电路和6.4矩阵式变频电路都涉及到了。
2
2-82
第七章 PWM控制技术• 引言
• PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实
现PWM控制变得十分容易。
• PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大 提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的
在ur的半个周期内，三角波 载波不再是单极性，而是有 正有负，所得PWM波也有正 有负，其幅值只有±Ud两种 电平。 ur正负半周，对各开关器件 的控制规律相同。
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图7-6 双极性PWM控制方式波形23
24-82
7.2.1 计算法和调制法
u O uo uof uc ur
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图7-5 单极性PWM控制方式波形
脉冲宽度调制(PWM)技术原理
一、PWM技术原理由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称PwM技术。
PwM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。
采用PwM方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过PwM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。
由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。
又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。
此外，采用PwM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。
把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。
二、正弦波脉宽调制(sPwM）1．sPwM的概念工程实际中应用最多的是正弦PwM法(简称sPwM)，它是在每半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等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(Vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。
各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，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宽：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，则也可生成sPwM波形。
在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值Vd恒定，半周期内的脉冲数N也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值V1m脉宽δi有线性关系在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。
脉冲宽度调制(PWM)和正弦波脉宽调制(SPWM)变频技术简介
变频技术之PWM调制技术与SPWM调制技术详解变频技术通过改变电力信号的频率来调节电动机、压缩机和其他电气设备的运行速度。
在实际应用中，变频器是变频技术的核心装置，而脉冲宽度调制（PWM）技术和正弦波脉宽调制（SPWM）技术是实现变频器控制的重要手段。
什么是PWM调制技术PWM调制技术通过控制脉冲信号的宽度，实现对输出电压的调节。
在变频技术中，PWM被广泛应用于变频器中，以控制电动机的速度和转矩输出。
通过改变脉冲信号的占空比（脉冲宽度与周期之比），可以实现对电动机的精确控制。
当需要增大输出电压时，增加脉冲信号的宽度；当需要减小输出电压时，减小脉冲信号的宽度。
这种方式使得电动机可以在不同负载条件下保持稳定的转速和扭矩输出。
同时，PWM调制技术还具有响应快、控制精度高、效率高等优点，被广泛应用于各种电力控制系统中。
PWM调制波形如图1所示：图1PWM调制波形PWM技术具有以下优点：高效性：由于PWM技术可以通过调整脉冲宽度来控制电机的输出电压和频率，因此可以实现电机在不同负载条件下的高效运行。
通过减小电机额定电压，PWM技术可以降低电机的功耗，提高整体效率。
精确控制：PWM技术具有响应速度快、控制精度高的特点。
通过微调脉冲宽度和周期，可以实现对电机转速和扭矩的精确调节，满足不同应用的需求。
减少机械冲击：PWM技术可以实现电机的软启动和软停止，减少了机械系统的冲击和磨损，延长了设备的使用寿命。
尽管PWM技术具有许多优点，但也存在一些局限性：谐波问题：PWM技术在产生脉冲信号时会引入谐波成分，可能对电力网络和其他设备造成干扰。
为了减少谐波，需要采取滤波和抑制措施，增加了系统的复杂性和成本。
开关损耗：PWM技术使用高频开关装置，开关的频繁操作会产生开关损耗。
这些损耗会转化为热能，需要适当的散热系统来冷却电路。
EMI干扰：由于高频开关操作，PWM技术可能会产生电磁干扰（EMI），对周围的电子设备和无线通信系统造成干扰。
PWM(脉冲宽度调制)原理与实现
(2)PWM （脉冲宽度调制）原理与实现 1、 PWM 原理 2、 调制器设计思想 3、 具体实现设计一、 PWM （脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation ）原理：脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样 值成比例。
图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。
该系统有一个比较器和一 个周期为Ts 的锯齿波发生器组成。
语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数 否则输出0。
因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。
H 谁制泉理国 Lb ）関制的渥形酣通过图1b 的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻 tk 时的语音信号幅度值。
因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。
在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中 tk-kTs<<Ts 的情况，均匀采样和非均匀 采样差异非常小。
如果假定采样为均匀采样，第k 个矩形脉冲可以表示为：毎二（喝）]（1）其中，x{t}是离散化的语音信号；Ts 是采样周期；6 是未调制宽度；m 是调制指数。
然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为 A ，中心在t = k Ts 处，'变化缓慢，则脉冲宽度调制波X p （t ）可以表示为：A r®x （0 対一 [l 十4迟一在相邻脉冲间^(0 = —其中，兀。
无需作频谱分析，由式(2)可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。
当兀心时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。
二、数字脉冲宽度调制器的实现：实现数字脉冲宽度调制器的基本思想参看图2。
请坏计救器—时钟仁号u比君睜一殊冲劇匣韻槪汝再疗器RI2歆芋毗神竜嚏谓蕭器同构唱图中，在时钟脉冲的作用下，循环计数器的5位输出逐次增大。
5位数字调制信号用一个寄存器来控制，不断于循环计数器的输出进行比较，当调制信号大于循环计数器的输出时，比较器输出高电平，否则输出低电平。
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脉冲宽度调制(PWM)技术
在电力电子变流器控制系统中，对于控制电路的要求往往是除能够控制负载的加电与断电外，还应该能够控制加载到负载上的电压高低及功率大小。
在大功率电力电子电路中，控制加载至负载上电压及功率的实用方法就是脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。
1. 面积等效原理
在控制理论中，有一个重要的原理，即冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量(冲量)作用在具有惯性的环节上时，只要这些变量对时间的积分相等，其作用的效果将基本相同。
这里所说的效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。
例如，下图1示出的三个窄脉冲电压波形分别为矩形波、三角波和正弦波，但这二个窄脉冲电压对时间的积分相等，或者说它们的面积相等。
当这三个窄脉冲分别作用在只有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。
因此，冲量等效原理也可以称为面积等效原理。
从数学角度进行分析，对上图1所示的三个窄脉冲电压波形进行傅里叶变换，则其低频段的特性非常相近，仅在高频段有所不同，而高频段对于具有惯性负载的电路影响非常小。
由此进一步证明了面积等效原理的正确性。
2. 脉冲宽度调制技术
依据面积等效原理，在电路中可以利用低端电源开关或高端电源开关，以一定频率的导通和截止连续切换，使电源电压U i以一系列等幅脉冲(或称为矩形波)的形式加载到负载上，加载在负载上的电源电压Uo波形如图2所示。
图2所示的矩形波的电压平均值：
此式表明在一个脉冲周期内，电压的平均值与脉冲的占空比是成正比的，于是，可以通过改变脉冲的占空比来调整加载到负载上的电压大小。
当占空比小时，加载到负载上的平均电压就低，即加载到负载上的功率小；而占空比大时，加载到负载上的平均电压就高，加载到负载上的功率大。
这种通过等幅脉冲调节负载平均电压及功率的方法称为脉冲宽度调制，也称为斩波控制。
采用脉冲宽度调制方式为负载供电，由于供电电压是脉动的，势必会产生出各种谐波。
为了明确脉冲宽度调制技术对负载产生的影响，且考虑此分析结果便于以后章节引用，可将图2所示的等幅脉冲序列描述为
式中，G(t)为开关函数，其波形如图3所示。
在此式中，第一项DUi是等幅脉冲序列的直流成分，也即输出电压的平均值。
可见，输出电
压的平均值是随脉冲占空比D的变化而变化的，占空比D小，输出电压平均值就低，占空比D大，输出电压平均值就高。
但要注意的是，电压平均值与电压有效值是不同的，在电压幅值为Ui，脉冲占空比为D时，电压平均值为DUi，电压有效值为√DUi。
上式中第二项是等幅脉冲序列中所包含的谐波成分，它表明等幅脉冲序列中存在各次谐波，其基波的频率等于等幅脉冲序列的频率，或者说等于开关函数G(t)的频率，以后依次为二倍频、三倍频、……当开关函数G(t)的频率选得比较高时，这些谐波很容易被滤除。
脉冲宽度调制产生的输出电压中存在的谐波会对负载产生影响。
但大多数负载对于谐波有抑制作用，如白炽灯泡在脉冲频率为几十赫时，人眼便感觉不到谐波引起的闪烁；电动机的绕组中存在电感，本身便对频率较高的谐波有抑制作用，在脉冲频率为几百赫时，电机的运转基本上无抖动现象。
这样的负载在使用PWM方式进行功率调节时，开关电路的切换频率只要等于或略大于负载的频率要求，就可以收到比较好的效果，追求过高的脉冲频率对于这类负载没有太多的实际意义。
同时开关频率越高，开关元件在开关过程中产生的动态损耗就会越大，不利于电路的效率。
对于对谐波比较敏感的负载，可将脉宽调制的开关频率选得比较高，这将使谐波的频率比较高，通过一些滤波元件可方便地将谐波滤除。
还有些负载本身对脉冲的频率就有较高的要求，如开关电源的高频变压器，脉冲的频率越高，变压器的传输效率就超高，这意味着在传输同样功率的前提下，脉冲的频率越高，变压器的体积就可越小。
这类负载对于脉宽调制电路的频率有较高的要求。
脉冲宽度调制技术在功率调节电路中得以广泛的应用，其主要原因在于采用脉冲宽度
调制方法控制负载的功率时，控制电路仅工作于开关状态，控制器件的功耗很低，非常易于实现。
尤其是大功率负载，无论在电源的转换效率上，还是在系统的简易程度上，采用脉冲宽度调制方式进行功率调节均是首选的。
脉冲宽度调制技术对于开关电路的工作速度有比较高的要求，这由两个因索决定：一是脉冲的频率，显然，脉冲的频率越高，要求开关电路的工作速度越快。
二是脉冲的占空比，在脉冲的占空比很小时或脉冲的占空比很大时，如图4所示，两次开关动作的时间间隔很短，要求开关电路行足够快的切换速度。
开关电路的工作频率与使用的开关器件有很大关系，目前，小功率脉冲宽度调制电路的工作频率可做到1MHz以上，但对于大功率电路，功率器件的开关工作频率则相对较低，双极型功率三极管GTR只能达到几千赫，IGBT器件可达到几十千赫，速度最高的功率MOSFET 在大功率条件下也仅能达到二百千赫左右。
3. 脉冲宽度调制的基本控制技术
脉冲宽度调制电路的基本形式如图5所示。
电路中最主要的部分是一个锯齿波或三角波发生器及一个电压比较器。
锯齿波或三角波的频率决定了产生的脉冲调制波的频率。
利用电压比较器对输入的调节电压与锯齿波或三角波电压相比较，当输入的调节电压大于锯齿波或三角波电压时，电压比较器输出高电平，当输入的调节电压小于锯齿波或三角波电压时，电压比较器输出低电平。
脉冲宽度调制的电压波形如图5(b)所示。
由图可见，随着输入调节电压高低的变化，就可调制出宽度不同的脉冲信号。
输入的调节电压升高，输出的脉冲宽度信号就变宽，脉冲的占空比升高；输入的调节电压降低，输出的脉冲宽度信号就变窄，脉冲的占空比降低。
这种脉冲宽度调制方式称为正向调制方式。
将利用正向调制方式产生的脉冲宽
度信号控制开关电路，就可通过调节输入调节电压的高低，改变加载至负载的电压波形占空比，也即改变加载至负载的电压平均值。
上述的脉冲宽度调制方式主要是采用模拟电路实现的。
由于模拟电路的抗干扰能力比较弱，电路的精度也比较低，因此，目前在很多领域采用数字方式的脉冲宽度调制，即利用数字电路、单片机和其他微控制器实现脉冲宽度调制。
采用数字方式的脉冲宽度调制无论在精度上还是在抗干扰能力上均强于模拟方式。
如果将图5(a)所示电路的电压比较器的正负输入端反接，就可得图6(a)所示电路。
此电路的脉冲宽度调制情况如图6(b)所示。
由图可见，随着输入的调节电压升高，输出的脉冲宽度信号将变窄，脉冲的占空比降低；输入的调节电压降低，输出的脉冲宽度信号反而变宽，脉冲的占空比升高。
这种脉冲宽度调制方式称为负向调制方式。
负向脉冲宽度调制方式一般用于输出电压需要自动稳定的系统。
可将输出到负载上的电压反馈回输入端作为调节电压，当负载电压升高时，电路自动使输出的脉冲宽度信号变窄，降低负载上的电压；当负载电压降低时，电路又自动使输出的脉冲宽度信号变宽，提升负载上的电压。
于是，负载上的电压将得以稳定。