第三章_脉宽调制控制技术
脉宽调制技术
脉宽调制通常有两种方法：
脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定 系统控制中。但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应 有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后 果。
多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之 间。
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可 以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
领域
PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其 四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于如今国家提出的节能减排具有积极意义。
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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，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可 将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产 生影响。
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。在接收端，通过适当的RC或LC络可以滤除调制高频方波并 将信号还原为模拟形式。
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。
脉冲宽度调制(PWM)技术
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。
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。
脉宽调制技术
3、讲授新课时间
70
2、复习导入时间
8
4、归纳小结时间
5
5、作业布置时间
5
教
学
后
记
[复习导入]
•脉宽调制技术：它是通过对输出电压或输出电流的一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需电压或电流的大小和形状的一项技术。
•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。
[讲授新课]
2）调制法——把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制得到所期望的PWM波
采用等腰三角波或锯齿波作为载波。等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称
载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。
3）分段同步调制
为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把变换器的输出频率范围划分成若干频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高。
二、SPWM逆变器的控制技术
1、SPWM逆变器及其控制模式
实现SPWM的控制方式有三种：
①采用模拟电路；
②采用数字电路；
③采用模拟与数字电路相结合的控制方式。
2、具有消除谐波功能的SPWM控制模式的优化
3、用于SPWM控制的专用芯片与微处理器
三、电流跟踪型PWM逆变器控制技术
电流跟踪型PWM又称电流控制型电压源PWM逆变器（CRPWM），它兼有电压型和电流型逆变器的优点：结构简单、工作可靠、响应快、谐波小，采用电流控制，可实现对电机定子相电流的在线自适应控制，特别适用于高性能的矢量控制系统。
pwm舵机控制
pwm舵机控制第一章：引言随着自动化技术的不断发展，舵机成为机器人、无人机、智能家居等领域中重要的执行器之一。
舵机控制的准确性和稳定性对于这些应用来说至关重要。
PWM（脉宽调制）技术已被广泛应用于舵机控制中，它通过控制舵机电源的脉冲宽度来实现舵机的位置控制。
本论文将重点研究PWM舵机控制方法，并进行相关性能分析和实验验证。
第二章：PWM舵机控制原理2.1 PWM技术概述脉宽调制技术是一种通过改变控制信号的脉冲宽度来控制设备的平均功率输出的方法。
在舵机控制中，PWM技术被用于控制电源脉冲信号的宽度，进而控制舵机的角度或位置。
通常，PWM信号的高电平代表一个角度，而低电平则代表另一个角度。
2.2 PWM舵机控制原理PWM舵机控制分为两个阶段：位置检测和角度控制。
在位置检测阶段，舵机读取输入信号的脉宽，通过内部电路将其转化为相应的角度。
而在角度控制阶段，PWM信号控制舵机的转动。
具体来说，当PWM信号的脉冲宽度大于一个阈值时，舵机向一个方向转动；当脉冲宽度小于该阈值时，舵机向另一个方向转动。
第三章：PWM舵机控制方法3.1 基于PID控制算法的PWM舵机控制PID控制算法是一种常用的控制算法，可以根据目标值与实际值的误差来调整控制信号，进而实现对舵机位置的控制。
在PWM舵机控制中，可以使用PID控制算法来计算控制信号的脉冲宽度，使舵机保持在目标角度附近。
3.2 基于反馈机制的PWM舵机控制在PWM舵机控制中，可以通过添加反馈机制来提高舵机的姿态控制精度。
反馈机制可以通过使用角度传感器或加速度传感器等设备来获取舵机的实际位置信息，并将其与目标位置进行比较。
通过不断调整控制信号的脉冲宽度，可以使舵机快速准确地达到目标姿态。
第四章：实验与结果分析本章将进行一系列实验来验证PWM舵机控制方法的性能。
实验中将计算不同PWM信号脉冲宽度对舵机位置和角度的影响，并进行比较分析。
通过实验结果的对比和分析，可以评估不同的舵机控制方法的优缺点，为实际应用提供指导。
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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3.1.1 PWM型变频器的基本控制方式
“△”波调制法的电路原理如图3-1a所示， 在电压比较器A的两输入端分别输入正弦 波参考电压uR 和三角波电压u△ ，在A的输 出端便得到PWM调制电压脉冲。 PWM脉冲宽度的确定可由图3-1b看出。uR 与u△的交点之间的距离随参考电压uR的大 小而变，而该交点之间的距离决定了电压 比较器输出电压脉冲的宽度，因而可得到 幅值相等而脉冲宽度不等的PWM电压信号uP。
3.2.2 SPWM的控制模式及其实现
实现SPWM的控制方式有三类，一是采用模 拟电路，二是采用数字电路，三是采用模拟 与数字电路相结合的控制方式。 采用模拟电路元件实现SPWM控制的原理,首 先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器 分别产生三角载波信号uΔ和正弦波参考信号uR， 然后送入电压比较器，产生SPWM脉冲序列。 采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软 件为基础的控制模式。
（2）消除5、7、11和13次谐波
1 2 cos 51 2 cos 5 2 2 cos 5 3 2 cos 5 4 0 1 2 cos 7 2 cos 7 2 cos 7 2 cos 7 0 1 2 3 4 1 2 cos111 2 cos11 2 2 cos11 3 2 cos11 4 0 1 2 cos131 2 cos13 2 2 cos13 3 2 cos13 4 0
滞环电流跟踪型SPWM逆变器的单相结构 示意图如图3-13所示。
ir为给定参考电流，是电流跟踪目标，当
实际负载电流反馈值if与ir之差达到滞环上 限值Δ时，即if-ir≥Δ，使VT2导通，VT1 截止，负载电压为-E，负载电流if下降。 当if与ir之差达到滞环下限值Δ时，即ifir≤-Δ，使VT1导通，VT2截止，负载电 压为+E，负载电流if上升。这样通过VT1， VT2的交替通断，使︱if-ir︱≤Δ，实现if 对ir的自动跟踪。如ir为正弦电流，则if也 近似为一正弦电流。
图3-1 “△”调制法原理
从三角波电压与参考电压的频率来看 ， PWM控制方式可分为同步式、异步式和分 段同步式。
3.1.2 简单的PWM型变频器工作原理
3.1.3 单极性正弦波PWM调制原理
3.1.4 双极性正弦波PWM调制原理
3.2 PWM的控制模式及实现
3.2.1 SPWM逆变器的同步调制和异步调制 1. 同步调制 在同步调制方式中，N=常数，变频时三角载 波的频率与正弦调制波的频率同步变化，因 而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固 定不变的。 2. 异步调制 异步调制中，在逆变器的整个变频范围内定的原理电路图
3.5 PWM脉冲的生成方法
3.5.1 模拟电路控制方式 分段同步控制三角载波产生电路原理如图 示3-17所示
图3-17
分段同步控制三角载波的产生
3.5.2 数字电路控制方式
采用数字控制方式时，调速系统数学模型 的求解，各闭环控制调节器以及PWM控制 信号的产生等功能全部由单片机或微处理 器完成。
微机控制的SPWM控制模式有多种，常用 的有以下两种： 1. 自然取样法 :用计算的办法寻找三角 载波uΔ 与参考正弦波 uR 的交点从而确定 SPWM脉冲宽度的。
2．对称规则取样法 通过两个三角波峰之 间中线与uR的交点M作 水平与两个三角波分 别交于A和B点。由交 点A和B确定SPWM脉宽 为t2，
uL U v sin vt
v 1
4U Uv d v
N k 1 2 1 cos v K k 1
图3-9 两电平SPWM逆变器的输出电压波形
理论上讲，欲想消除第v次谐波分量，只 要令式（3-3）中的Uv=0，从而解出相应 的αK值即可。然而，由式（3-3）可看出， 未知数αK的个数有N个，需要有N个方程 联立求解。为此可同时令N个谐波次数的 电压为0，通过优化值αK消除N个谐波分 量。
图3-14 电压SPWM波形的产生
3.4.2 开关频率恒定的电流跟踪型 PWM控制技术
改变滞宽使fT恒定，可以采用不同的控制 方式。 （1）随着dir/dt变化调整滞环宽度Δ使fT不 变。
图3-15使用dir/dt改变滞宽保持fT恒定的原理电路图
（2）在电流闭环中增设频率闭环使fT不变。
3.3 具有消除谐波功能的SPWM控 制模式的优化
所谓PWM控制模式的优化就是指可消除谐 波分量的PWM控制方式。 1．两电平SPWM逆变器
假定两电平SPWM逆变器输出电压波形具 有基波四分之一周期对称关系，显然，如 将该SPWM脉冲电压序列展成傅氏级数， 则仅含奇次谐波分量。负载电压uL可表示 各次谐波电压之和，即
3. 分段同步调制 在一定频率范围内，采用同步调制，保持 输出波形对称的优点。当频率降低较多时， 使载波比分段有级的增加，又采纳了异步 调制的长处。这就是分段同步调制方式。 具体的说，把逆变器整个变频范围分成若 干频段，在每个频段内斗维持载波比N的 恒定，对不同的频段取不同的N值，频率 低时N取大一些，一般按等级比数安排。
（1）消除5次和7次谐波
4U d U 5 5 1 2 cos 51 2 cos 5 2 0 U 4U d 1 2 cos 7 2 cos 7 0 1 2 7 7
求得的值为α1=16．247°，α2=22．068°
解上述四个超越联立方程比较困难，一般需 采用数值法求解值法求解，首先假定α1、 α2、α3、α4值，代入上述方程，如不满足对 α1～α4进行修正，通过迭代逐渐逼近真值。
2．三电平SPWM逆变器 其输出如图
4U d Uv v
1
k 1
N
k 1
cos v k
3.4 电流跟踪型PWM逆变器的控制技术