直流脉宽调制技术.
直流LED调光技术
直流LED脉宽调制调光技术关键词：直流LED、调光、脉宽调制(PWM)摘要：本文主要介绍了直流电源LED的脉宽调制调光技术的原理与实现，并对其技术的优缺点进行了说明。
1、直流LED脉宽调制调光的原理LED是一个二极管，它可以实现快速开关。
它的开关速度可以高达微秒以上。
是任何发光器件所无法比拟的。
因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用转变脉冲宽度的方法，就可以转变其亮度。
这种方法称为脉宽调制(PWM)调光法。
图1表示这种脉宽调制的波形。
假如脉冲的周期为tpwm,脉冲宽度为ton,那么其工作比D (或称为孔度比)就是ton/tpwmo转变恒流源脉冲的工作比就可以转变LED 的亮度。
D = 50% ∣D≡30% ID > 25%∣D≡12.5% ∣D*6.25% ∣图I.用转变脉冲宽度的方法来转变LED的亮度2、如何实现PWM调光详细实现PWM调光的方法如图2所示,就是在LED的负载中串入一个MOS 开关管，这串LED的阳极用一个恒流源供电。
然后用一个PWM信号加到MoS 管的栅极，以快速地开关这串LEDo从而实现调光。
也有不少恒流芯片本身就带一个PWM的接口，可以直接接受PWM信号，再输出掌握MOS开关管。
图2.用PWM信号快速通断LED串3、脉宽调制调光的优点1）不会产生任何色谱偏移。
由于LED始终工作在满幅度电流和O之间。
2）可以有极高的调光精确度。
由于脉冲波形完全可以掌握到很高的精度，所以很简单实现万分之一的精度。
3）可以和数字掌握技术相结合来进行掌握。
由于任何数字都可以很简单变换成为一个PWM信号。
4）即使在很大范围内调光，也不会发生闪耀现象。
由于不会转变恒流源的工作条件（升压比或降压比），更不行能发生过热等问题。
4、脉宽调制调光要留意的问题1）脉冲频率的选择由于LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪耀。
为了充分采用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应高于IOOHz,最好为200Hz。
直流脉宽调制电路的工作原理
第二节 几种典型正弦波振荡电路
• 石英晶体可以等效为一个LC电路，把
它接到振荡器上便可作为选频环节应
用。
fs
2
1 LC
• 由图3-13等f效p 电2 路L1得CC0
C C0
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第二节 几种典型正弦波振荡电路
• 石英晶体振荡器可以归结为两类：一 类称为并联型；另一类称为串联型。 前者的振荡频率接近于fP，后者的振荡 频率接近于fs分别介绍如下。
图8－6 双极式PWM变换器电压电流波形图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.3 可逆PWM变换器
双极式PWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象限中运 行，电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速时每个晶体管 的驱动脉冲仍较宽，有利于晶体管的可靠导通，平稳性好，调速范围大。
8
PWM直流脉宽调速系统
图 8－1 脉冲宽度调制器结构原理图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
8
PWM直流脉宽调速系统
与晶闸管相控式整流直流调速系统相比，直流脉宽调制系统有以下优点： 1）需用的功率元件少，线路简单，控制方便； 2）由于晶体管的开关频率高，仅靠电枢电感的滤波作用，就可获得脉动很小 的直流电流，电流连续容易，同时电动机的损耗和发热均较小； 3）系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强； 4）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽； 5）直流电源采用三相不可控整流，功率因数较高，对电网影响小； 6）主电路元件工作在开关状态，损耗小，装置效率高。
第八章 PWM直流脉宽调速系统
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.1.1 不可逆、无制动力PWM变换器
脉宽调制进行调压的原理
脉宽调制进行调压的原理脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是一种常见的调压技术，通过改变信号的脉冲宽度来实现对电压的调节。
它广泛应用于各种电子设备和电路中，如电源管理、驱动控制和通信系统等。
脉宽调制的原理是通过改变脉冲信号的高电平时间和低电平时间的比例来实现对电压的调节。
一般情况下，脉冲信号的周期是固定的，而脉冲宽度则可以根据需要进行调节。
当脉冲宽度较窄时，相当于输入的电压较低；而当脉冲宽度较宽时，相当于输入的电压较高。
具体实现脉宽调制的方法有很多种，其中一种常见的方法是使用比较器和计数器。
比较器用于比较一个可变的调节电压与一个固定的参考电压，根据比较结果产生一个脉冲信号。
计数器用于控制脉冲信号的周期，即脉冲的重复频率。
通过改变计数器的计数值，可以改变脉冲信号的周期，从而实现对电压的调节。
在脉宽调制中，调节电压通常由一个反馈电路提供。
反馈电路会根据输出电压与设定值之间的差异产生一个误差信号，并将该信号送入比较器进行比较。
比较器根据误差信号的大小来控制脉冲信号的脉宽。
当误差信号较大时，比较器会产生一个较宽的脉冲，从而使输入电压增加；当误差信号较小时，比较器会产生一个较窄的脉冲，从而使输入电压减小。
通过不断调节脉冲信号的脉宽，可以使输出电压逐渐趋向于设定值，从而实现对电压的调压。
脉宽调制具有精度高、响应速度快等优点，适用于对电压要求较高的应用场景。
例如，电源管理中的开关电源常使用脉宽调制技术进行电压调节，可以提供稳定的输出电压。
同时，脉宽调制还可以用于驱动控制，如直流电机的速度控制。
此外，脉宽调制还可以应用于通信系统中的数据传输，如红外遥控器和无线通信设备等。
尽管脉宽调制具有很多优点，但也存在一些局限性。
首先，脉宽调制对于载频信号的抗干扰能力较差，容易受到噪声和干扰的影响。
其次，脉宽调制会引入一定的谐波失真，可能会对电路的性能产生一定的影响。
此外，由于脉宽调制需要频繁地进行开关操作，因此会产生一定的开关损耗和功耗。
直流伺服电动机脉宽调制的工作原理
直流伺服电动机是一种广泛应用于工业控制系统中的电动机，其主要特点是控制精度高、速度范围广、响应速度快等。
而脉宽调制（PWM）技术是一种常用的电力控制技术，通过调整脉冲宽度来控制输出电压，被广泛应用于直流伺服电动机的速度和位置控制中。
本文将介绍直流伺服电动机脉宽调制的工作原理，包括脉宽调制原理、直流伺服电动机的工作原理、脉宽调制在直流伺服电动机中的应用等内容。
一、脉宽调制原理脉宽调制技术是一种通过调制脉冲信号的宽度来控制输出电压或电流的技术。
其基本原理是将输入信号与一个高频的载波信号进行调制，通过改变调制信号的脉冲宽度，来实现对输出信号的控制。
脉宽调制技术可以实现对输出信号的精确控制，并且具有简单、成本低廉、效率高等优点，因此被广泛应用于各种电力控制领域。
二、直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机是一种能够精确控制角度、速度和位置的电动机，其主要由电动机、编码器和控制器组成。
控制器通过不断地监测编码器反馈的位置信息，计算电机与期望位置之间的误差，并输出控制信号来调节电机的速度和位置，从而实现对电机的精确控制。
三、脉宽调制在直流伺服电动机中的应用脉宽调制技术被广泛应用于直流伺服电动机的速度和位置控制中，其工作原理如下：控制器根据输入的期望速度或位置信号，计算出电机的转速或角度误差，然后将误差信号传递给脉宽调制模块。
脉宽调制模块通过调整输出脉冲信号的宽度和周期，控制电机的转速和位置，从而实现对电机的精确控制。
四、脉宽调制在直流伺服电动机中的优势脉宽调制技术在直流伺服电动机中具有以下优势：1. 精确控制：脉宽调制技术可以实现对电机的精确控制，包括速度、角度和位置的精确控制。
2. 响应速度快：脉宽调制技术可以实现对电机的快速响应，提高了系统的动态性能。
3. 节能减排：脉宽调制技术可以实现能效优化，降低了能耗，减少了环境污染。
4. 成本低廉：脉宽调制技术成本低廉，便于大规模应用。
五、总结脉宽调制技术在直流伺服电动机中的应用，实现了对电机的精确控制和高效能运行。
PWM驱动原理？
PWM（脉宽调制）是一种控制信号的技术，通过调整信号的脉冲宽度来实现对电路或设备的驱动。
PWM驱动常被用于直流电机驱动、LED亮度调节、音频放大器等应用中。
PWM驱动的原理如下：
1. 基本概念：PWM信号由一个固定的周期和一个可变的脉冲宽度组成。
周期表示一个完整的PWM信号循环所持续的时间，脉冲宽度则表示脉冲信号的高电平持续的时间。
2. 控制信号生成：PWM信号是由一个控制器或微控制器生成的。
控制器通过计算或根据输入的模拟信号，生成具有相应脉冲宽度的PWM信号。
3. 周期和频率：PWM信号的周期是固定的时间间隔，在设计中可以根据需要进行选择。
频率是指PWM信号每秒钟循环的次数，是周期的倒数。
4. 脉冲宽度调节：脉冲宽度决定了PWM信号的占空比，即高电平和周期之间的比例关系。
脉冲宽度决定了驱动电路的输出电平和功率。
通过调节脉冲宽度的比例可以控制输出电路的平均电压或功率。
5. 低通滤波：PWM信号在驱动输出电路中，通常通过一对开关进行控制。
由于PWM信号的高频特性，开关的开关电流会产生高频噪声。
为了去除这些噪声，通常使用低通滤波器对PWM信号进行滤波，得到平滑的模拟输出。
通过改变PWM信号的脉冲宽度，可以控制输出电路的电平或功率，实现对电路或设备的精确驱动。
PWM驱动具有高效率、精度高、响应快和容易实现的优点，在诸多应用中被广泛应用。
直流脉宽调速系统
(2) 开关频率 f 应高于调速系统的最高频 率 fc，一般希望 f > 10fc，从而降低PWM 变换器的迟延时间对系统性能的影响；
2. 开关频率 f 的选择 (3) 开关频率 f 还应高于系统中所有回路 的谐振频率，防止引起共振；
(4) 开关频率 f 的上限受电力电子器件的 开关损耗和开关时间的限制。
2. 可逆PWM变换器 —— H型-双极式控制
+Us VT1 Ub1 A VT2 Ub2 Ub1 =Ub4 =-Ub2 =-Ub3 图2.108 H型可逆PWM变换器电路
4 VD1
+
M
2 VD3 B
VT3 Ub3
VD2
3
VD4 1
VT4 Ub4
电机正、反转时的输出波形
Ud id +Us Ud E id t 0 ton 3 4 T 3 4 3 4 3 t id E Ud -Us
脉宽调制器和PWM变换器的传递函数
开关频率 f 的选择 电能回馈与泵升电压的控制
1. 脉宽调制器和PWM变换器的传递函数
PWM系统的动态数学模型与V-M系统非常 相似，其传递函数也可以看作是一个纯滞后环 节，迟延时间最多不超过一个开关周期 T。 在脉宽调速系统中，开关频率 f 较高，开 关周期 T 较小，因此，常将脉宽调制器和 PWM变换器合起来近似看成一阶惯性环节。
双极式H型可逆PWM变换器的特点
优点：电流一定连续，可实现四象限运行，电机 停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区，低 速平稳性好，可达到很宽的调速范围； 缺点：四个电力电子器件都处于开关状态，损耗 较大，且容易发生上、下两个器件直通的事故， 降低了设备的可靠性。
2.9.3 脉宽调速系统的特殊问题
直流脉宽调速系统
直流脉宽调速系统脉宽调速系统的主电路采纳脉冲宽度调制（PWM）式变换器，脉宽调制式变换器是采纳脉冲宽度调制的一种斩波器。
直流斩波器节能效果显著，最初应用于直流电力机车，目前在中、小容量的调速系统中已得到广泛的应用。
与“晶闸管--直流电动机”系统相比，直流脉宽调速系统具有如下特点：1）采纳绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、功率场效应管(P-MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、全控电力晶体管等电子器件，主电路简洁，所需功率元件少；且主电路工作在开关状态，损耗少、效率高。
2）开关频率高、电流连续、谐波成分低、电动机损耗小。
3）系统频带宽，快速性好、动态抗干扰力量强。
4）系统低速性能好、调速范围宽、稳态精度高。
直流脉宽调速系统的静、动态特性分析方法和晶闸管相位掌握的直流调速系统基本相同，区分仅在于主电路和脉宽调制掌握电路。
与前述晶闸管直流调速系统不同，直流脉宽调速系统的脉宽调制放大器常采纳电力晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率集成芯片等器件替换晶闸管变流器，因而它具有功率元件比晶闸管直流调速系统少、线路简洁、系统功率因数好、脉宽调制频率高（达2kHz～3kHz）、系统反应快、电机低速运转平稳、调速范围宽等优点。
1. PWM直流不行逆调速系统图5-51为PWM直流不行逆调速系统原理图，图中ASR为转速调整器，ACR为电流调整器，GT为三角波发生器，GP为脉冲发生器，AOP为过电流爱护单元，BC为电流变换器，BV为速度变换器，其技术数据如表所示。
表PWM直流不行逆调速装置技术参数型号规格见各厂样本直流额定电压直流额定电流静差度调速范围适用电动机功率180V或220V10A、30A、60A≤+0.4%（最高速）1:500(测速发电机反馈)1kW～10kW 2. PWM直流可逆调速系统。
1-3 直流电动机的脉宽调制(PWM)调速
若VT1关断时间长，在t=t2时，电枢电流ia衰减 到零，那么在电动机内电势Ea的作用下，VT2导通， 电枢电流ia 将沿着相反的方向从B点流入A点，电机 进入能耗制动。通过控制VT2的时间间隔可以控制电 机的制动转矩 注意：在VT1重新导通之间，必须先关闭VT2， 让电枢电流经过VD1续流，电机短时进入再生制动状 态，否则在VT2还没有完全关断之前就让VT1导通， 电源经过VT2、VT1直接短路，损坏开关元件。
1、单极性脉宽调制方式 系统输出电压UA的极性是通过一个控制电压Uc 来改变的。 Uc为正，VT1与VT2交替导通，VT4一直导通， VT3关断，此时，B点总是为正，A点总是为负 Uc为负，VT3与VT4交替导通，VT2一直导通， VT1关断，此时，B点总是为负，A点总是为正
工作原理： Uc为正时 0<t<t1时，VT1导通，VT2关断，若Us>Ea， 电枢电流经VT1、VT4从B流到A，电机处在电动 机状态。 在t1<t<T时，VT1关闭，VD2与VT4续流，电枢 电流方向不变，电机仍处在电动机状态。 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Ea使VT2导通，电枢电 流反向，经VT2、VD4从A流到B，电机进入能耗 制动状态 若Ea>Us，在VT2关断期间，电枢电流经VD1 和VD4输回电网，电机作再生制动 Uc为负时，原理与此类似，电机反向
如果电流连续，则电机始终处于电动状态 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Us和Ea共同作用，使 VT2、VT3导通，电枢电流反向，经VT2、VT3从A 流到B，电机进入反接制动状态 在VT1、VT4再次导通之前，必须关断VT2、 VT3，电枢电流VD1、VD4续流，电机进入再生制 动
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VD 1 R uo VD 2
V3 L V4
VD 3
VD4
信号波 载波
调制 电路 图6-4
图6-4 单相桥式PWM逆变电路
14
阻感负载
V4关断，V3开通后，
VD 3
V1 Ud + V2 u 信号波 r uc 载波
VD 1 R uo VD 2
V3 L V4
io从V3和VD1续流，uo=0
uo总可得到Ud和零两 种电平
16
单极性PWM控制方式 （单相桥逆变）
u uc ur
Ur负半周，V1保持断，V2 保持通 • 当ur<uc时使V3通，V4断， uo=－Ud
O
t
uo uof
•当 ur>uc时使V3断，V4通， uo=0 表示uo的基波分量
uo Ud
O -Ud 图6-5
t
单极性PWM控制方式
Ur半个周期内三角波载波
只在正极性或负极性一种 极性范围内变化，所得 PWM波形的控制方法
即PWM波形
7
SPWM波形
脉冲的宽度按正弦规律变化而 和正弦波等效的PWM波形 等幅PWM（直流电源产生） 不等幅PWM（交流电源产生）
SPWM波形
直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形， SPWM波得到的是等效正弦波
8
第6章 PWM控制技术
6.1 PWM的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法
VD4
uo负半周，让V2保持
调制 电路 图6-4
通，V1保持断，V3和V4 交替通断，uo可得-Ud和 零两种电平
图6-4 单相桥式PWM逆变电路
15
单极性PWM控制方式 （单相桥逆变）
u uc ur
O
t
uo uof
表 示
uo Ud
uo
t
O -Ud 图6-5
图6-5 单极性PWM控制方式波形
本章小结
9
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
6.2.1 计算法和调制法
6.2.2 异步调制和同步调制
6.2.3 规则采样法
6.2.4 PWM逆变电路的谐波分析
6.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数
6.2.6 PWM逆变电路多重化
10
6.2.1 计算法和调制法
计算法
根据正弦波频率、幅值和半周期脉 冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度 和间隔，据此控制逆变电路开关器 件的通断，就可得到所需PWM波形 调制法
t
O
f (t)
b)
t
d (t)
图a为方波窄脉冲、图 b为三角波窄脉冲、图c 为正弦半波窄脉冲，它 们的面积都等于1，当它 们分别加在具有惯性的 同一环节上时，其输出 响应基本相同 当窄脉冲变为图6-1d的 单位冲击函数δ（t）时， 环节的响应即为该环节 的脉冲过渡函数
O
c)
t
O
d)
t
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
2
6.1 PWM控制的基本原理
采样控制理论中一个重要结论
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
冲量 窄脉冲的面积 环节的输出响应波形基本相同
效果基本相同
如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频 段非常接近，仅在高频段略有差异
3
f (t )
f (t )
O
f (t)
a)
第6章 PWM控制技术
6.1 PWM的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.3 PWM跟踪控制技术 6.4 PWM整流电路及其控制方法
本章小结
1
第6章 PWM控制技术
PWM控制 对脉冲的宽度进行调制的技术 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等 效的获得所需要的波形（含形状和幅值） 直流斩波电路 斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路
调制 电路 图6-4
图6-4 单相桥式PWM逆变电路
13
阻感负载
负载电流为正的区间， V1和V4导通时，uo等于 Ud V4关断时，负载电流 通过V1和VD3续流， uo=0 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负， 实际上io从VD1和VD4流 过，仍有uo=Ud
V1 Ud + V2 ur uc
如周期性地施加上述脉冲，
u ( t)
则响应i(t)也是周期性的 用傅里叶级数分解后，各
a)
i(t)
i(t)在低频段的特性将非常接
近，仅在高频段有所不同
上述原理为面积等效原理，
0
t
b)
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
是PWM控制技术的重要理论
基础
6
将图6-3a的正弦波分成N个 比此相连的脉冲序列所组成的
4
i (t ) u ( t)
u(t)为电压窄脉冲，为电 路的输入，电流i(t)为电路的
a)
输出， i(t)的上升阶段，脉冲 形状不同， i(t)得形状也略有 不同，但其下降段则几乎完 全相同，脉冲越窄，各i(t)波
i(t)
0
t
b)
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
形的差异也越小
5
i (t )
u u
波形，这些脉冲宽度相等，为
> ωt
a
π/N，但幅值不等，各脉冲
幅值按正弦规律变化 如将脉冲序列用相同数量的 等幅不等宽的矩形脉冲代替， 使矩形脉冲的重点和相应的正
O O
u
O
b
图6-3 用PWM波代替正弦半波
ωt
>
弦波部分的中点重合，且使矩 形脉冲和相应的正弦波部分面 积相等，得图6-3b脉冲序列，
把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波，通过信号波得调制得到所期望的PWM波形
11
调制法 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号 作为载波，通过信号波得调制得到所期望的PWM波形
等腰三角波 或锯齿波
等腰三角波上任一点的水平宽度 和高度成线性关系，且左右对称， 当它与任何一个平缓变化的调制 信号波相交时，如在交点时刻对 电路中开关器件的通断进行控制， 就可得到宽度正比于信号波幅值 的脉冲
12
阻感负载
V1和V2通断互补，V3 和V4通断也互补 uo正半周时，V1导通， V2关断，V3和V4交替通 断 负载电流比电压滞后， 在电压正半周，电流有 一段区间为正，一段区 间为负
V1 Ud + V2 ur uc
VD 1 R uo VD 2
V3 L V4
VD 3
VD4
信号波 载波
的 基 波 分 量
调制信号ur为正弦波，载 波uc在ur的正半周为正极性 的三角波，在负半周为负正 极性的三角波 在ur和uc的交点时刻控制 IGBT的通断 ur正半周，V1保持通，V2 保持断 • 当ur>uc时使V4通，V3断， uo=Ud
•当ur<uc时使V4断，V3通， uo=0