PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理

1、PI D功能详解 一、PID控制简介PID（ Prop o r t ion a 1 I ntegra 1 Der i v ativ e ）控制就是最早发展 起来得控制策略之一，山于其算法简单、鲁棒性好与可靠性高，被广泛应用于工业 过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型得确定性控制系统、在工程实际中，应用最为广泛得调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称P ID控制，乂称PID调节，它实际上就是一种算法。P I D控制器问世至今已 有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可黑、调整方便而成为工业控 制得主要技术之一。当被控对象得结构与参数不能完全掌握，或得不到精确得数 学模型时，控制理

2、论得其它技术难以采用时，系统控制器得结构与参数必须依靠 经验与现场调试来确定，这时应用P I D控制技术最为方便。即当我们不完全了解 一个系统 与被控对象，或不能通过有效得测量手段来获得系统参数时，最适合 用PID控制技术、P I D控制，实际中也有PI与PD控制。PID控制器就就是根据 系统得误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制得。从信号变换得角度而言，超前校正、滞后校正、滞后一超前校正可以总结 为比例、积分、微分三种运算及其组合、PID调节器得适用范围:PID调节控制就是一个传统控制方法，它适用于 温度、压力、流量、液位等儿乎所有现场，不同得现场，仅仅就是P ID参数应设 置不同

3、，只要参数设置得当均可以达到很好得效果、均可以达到0。1%,棋至更 高得控制要求。PID控制得不足1、在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定，难以建立精确得数学模 型,常规得PID控制器不能达到理想得控制效果；2、在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂得困扰，常规P I D控制器参 数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况得适应能力很差。匸、P I D控制器各校正环节任何闭环控制系统得首要任务就是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）得响 应命令。PID调整得主要工作就就是如何实现这一任务。增大比例系数P将加快系统得响应，它得作用于输出值较快，但不能很好稳 定在一个理想得数值，不良得结果就

4、是虽较能有效得克服扰动得影响，但有余差 出现,过大得比例系数会使系统有比较大得超调，并产生振荡，使稳定性变坏、积 分能在比例得基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差得系统进行误差修整， 减小稳态误差、微分具有超询作用，对于具有容量滞后得控制通道，引入微分参与 控制,在微分项设置得当得情况下，对于提高系统得动态性能指标，有着显著效果, 它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。综上所述,P比例控制系统得响应快速性，快速作用于输出，好比现在” (现在就起作用，快)，I 积分控制系统得准确性,消除过去得累积误差，好比过 去”(清除过去积怨，回到准确轨道)，D-微分控制系统得稳定性，具有超前控

5、制作 用，好比未来(放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展)、当然这个结论也 不可一概 而论，只就是想让初学者更加快速得理解P ID得作用。在调整得时候，您所要做得任务就就是在系统结构允许得情况下，在这三个参 数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳快准得控制特点、比例控制可快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敬度，但有静差，控制 精度低。积分控制能消除偏差，提高控制精度、改善稳态性能，但易引起震荡，造 成超调。微分控制就是一种超前控制，能调节系统速度、减小超调量、提高稳定 性，但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大，过小则调节周期长、效果不显著。 比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID调节

6、器得参数，即比例系数KP、 积分时间常数Ti与微分时间常数tD,可迅速、准确、平稳得消除偏差,达到良 好得控制效果。1.比例环节成比例地反映控制系统得偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(St e ady-s t at e error)、P参数越小比例作用越强,动态响应越快，消除误差得能力越强、但实际系 统就是有惯性得，控制输出变化后，实际y(t)值变化还需等待一段时间才会缓慢 变化。山于实际系统就是有惯性得，比例作用不宜太强，比例作用太强会引起系 统振荡不稳定。P参数得大小应在以上定量计算得基础上根据系统响应情况，现 场调

7、试决定，通常将P参数山大向小调，以能达到最快响应乂无超调(或无大得 超调)为最佳参数。优点：调整系统得开环比例系数,提高系统得稳态精度，减低系统得惰性,加快响 应速度。缺点:仅用P控制器，过大得开环比例系数不仅会使系统得超调量增大，而且会使 系统稳定裕度变小,甚至不稳定。42、积分环节控制器得输出与输入误差信号得积分成正比关系、主要用于消除静差，提高 系统得无差度、积分作用得强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用越弱， 反之则越强。为什么要引进积分作用？比例作用得输出与误差得大小成正比，误差越大，输出越大，误差越小，输出 越小，误差为零，输出为零、山于没有误差时输出为零，因此比例调节不可能

8、完全 消除误差，不可能使被控得PV值达到给定值。必须存在一个稳定得误差，以维持 一个稳定得输出，才能使系统得PV值保持稳定、这就就是通常所说得比例作用 就是有差调节，就是有静差得，加强比例作用只能减少静差,不能消除静差(静差： 即静态误差，也称稳态误差)。为了消除静差必须引入积分作用，积分作用可以消除静差，以使被控得y( t ) 值最后与给定值一致。引进积分作用得忖得也就就是为了消除静差，使y(t)值达 到给定值,并保持一致。积分作用消除静差得原理就是，只要有误差存在，就对误差进行积分，使 输出继续增大或减小，一直到误差为零，积分停止，输出不再变化,系统得PV值保 持稳定,y(t)值等于u(t

9、)值，达到无差调节得效果。但由于实际系统就是有惯性得,输出变化后,y(t)值不会马上变化，须等待一 段时间才缓慢变化，因此积分得快慢必须与实际系统得惯性相匹配，惯性大、积分 作用就应该弱，积分时间I就应该大些，反之而然、如果积分作用太强，积分输出 变化过快，就会引起积分过头得现象，产生积分超调与振荡。通常I参数也就是山 大往 小调，即积分作用山小往大调，观察系统响应以能达到快速消除误差，达到 给定值，又不引起振荡为准。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系 统就是有稳态误差得或简称有差系统(System wit h Stea d y-s t ate Er r o r)

10、o为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项”、积分项对误差取决于时 间得积分，随着时间得增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随 着时间得增加而加大，它推动控制器得输出增大使稳态误差进一步减小，直到等 于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差、PI 控制器不但保持了积分控制器消除稳态误差得“记忆功能，而且克服了单独使用 积分控制消除误差时反应不灵敬得缺点。优点:消除稳态误差。a缺点:积分控制器得加入会影响系统得稳定性，使系统得稳 定裕度减小。心 3。微分环节反映偏差信号得变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一 个有效得早期修正信号，从

11、而加快系统得动作速度，减少调节时间。在微分控制中, 控制器得输出与输入误差信号得微分(即误差得变化率)成正比关系。为什么要引进微分作用？前面已经分析过，不论比例调节作用，还就是积分调节作用都就是建立在产 生误差后才进行调节以消除误差，都就是事后调节，因此这种调节对稳态来说就 是无差得,对动态来说肯定就是有差得，因为对于负载变化或给定值变化所产生 得扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。但一般得控制系统，不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，通常 都要求负载变化或给定调整等引起扰动后，恢复到稳态得速度要快，因此光有比 例与积 分调节作用还不能完全满足要求，必须引入微分作用

12、。比例作用与积分作 用就是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则就是事前预防控制， 即一发现y(t)有变大或变小得趋势，马上就输出一个阻止其变化得控制信号， 以防止出现过冲或超调等。a D越大，微分作用越强,D越小，微分作用越弱。系统 调试时通常把D从小往大调，具体参数山试验决定。如：山于给定值调整或负载扰动引起y (t)变化，比例作用与微分作用一定 等到y(t)值变化后才进行调节，并且误差小时,产生得比例与积分调节作用也小, 纠正误差得能力也小，误差大时，产生得比例与积分作用才增大。因为就是事后调 节动态指标不会很理想、而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误差得趋 势就 开始调

13、节,就是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动态误差， 使整体效果更好。但微分作用只能作为比例与积分控制得一种补充，不能起主导 作用，微 分作用不能太强，太强也会引起系统不稳定，产生振荡，微分作用只能在 P与I调好后再由小往大调，一点一点试着加上去。自动控制系统在克服误差得调节过程中可能会出现振荡其至失稳。其原因 就是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差得作 用，其变化总就是落后于误差得变化。解决得办法就是使抑制误差得作用得变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差得作用就应该就是零。这就就是说，在控 制器中仅引入“比例”项往往就是不够得，比例项得作用

14、仅就是放大误差得幅值， 而LI前需要增加得就是“微分项”，它能预测误差变化得趋势。这样，具有比例+ 微分得控制器，就能 够提前使抑制误差得控制作用等于零，甚至为负值，从而避 免了被控量得严重超调。所以对有较大惯性或滞后得被控对象，比例+微分(PD) 控制器能改善系统在调节过程中得动态特性。PD控制只在动态过程中才起作用, 对恒定稳态情况起阻断作用。因此,微分控制在任何情况下都不能单独使用、 优点:使系统得响应速度变快，超调减小，振荡减轻,对动态过程有“预测”作用。在低频段，主要就是P I控制规律起作用，提高系统型别，消除或减少稳态误 差;在中高频段主要就是PD规律起作用，增大截止频率与相角裕度

15、，提高响应速 度。因此,控制器可以全面地提高系统得控制性能。三、P ID控制器得参数整定P ID控制器得参数整定就是控制系统设讣得核心内容。它就是根据被控 过程得特性确定PI D控制器得比例系数、积分时间与微分时间得大小。PID 控制器参数整定得方法很多，概括起来有两大类：1、理论计算整定法它主要就是依据系统得数学模型，经过理论计算确定控制器参数、这种方法 所得到得计算数据未必可以直接用，还必须通过丄程实际进行调整与修改。2、工程整定方法它主要依赖工程经验，直接在控制系统得试验中进行,且方法简单、易于掌 握,在工程实际中被广泛采用、PID控制器参数得工程整定方法，主要有临界比例 法、反应曲线法

16、与衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都就是通过试验， 然后按照丄程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到得 控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用得就是临 界比例法。利用该方法进行PID控制器参数得整定步骤如下：(1) 首先预选择一个足够短得采样周期让系统工作;叽2)仅加入比例控制环节, 直到系统对输入得阶跃响应出现临界振荡，记下这时得比例放大系数与临界振荡 周期;( 3 )在一定得控制度下通过公式计算得到PID控制器得参数。P I D调试一般原则do在输出不振荡时，增大比例增益P、此、在输出不振荡时，减小积分时间常数 Tioc.在输岀不振荡时，增大

17、微分时间常数Td、PID调试一般步骤a。确定比例增益P确定比例增益P时，首先去掉PI D得积分项与微分项，一般就是令T i二0、Td二0 (具体见P I D得参数设定说明)，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许 得最大值得60%70%,山0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡；再反过 来，从此时得比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时得比例增益P, 设定P ID得比例增益P为当前值得60%7 0%o比例增益P调试完成。b、确定积分时间常数Ti比例增益P确定后，设定一个较大得积分时间常数Ti得初值，然后逐渐减小 Ti,直至系统出现振荡,之后在反过来，逐渐加大T i ,直至系统振荡消失

18、、记录此 时得Ti,设定P ID得积分时间常数T i为当前值得150% I 8 0%.积分时间常数 Ti调试完成。c. 确定积分时间常数Td积分时间常数Td-般不用设定，为0即可。若要设定,与确定P与Ti得方法 相同，取不振荡时得30%。d. 系统空载、带载联调，再对P ID参数进行微调，直至满足要求。变速积分得基本思想就是，设法改变积分项得累加速度，使其与偏差大小 相对应:偏差越大，积分越慢;反之则越快，有利于提高系统品质、PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度得调节一般采用硬 件来实现。如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路I 等，则成本烏、响 应速度慢，而且PWM控制器

19、与系统之间存在兼容问题、另外，控制系统中得信号采 样通常就是由A/D转换器来完成，因此检测精度要求较高时，调理电路复杂，而 且因A /D得位数高,从而使设汁得系统成本居高不下。本文以应用于温度控制系统为例，介绍利用Mot orola公司生产得新型单 片机M S P430F 4 13内得定时器Time.A设计可以用时间量进行温度采样以及实现 PWM调节得方法、为了可在使用少量外圉电路得情况下实现控制系统得高精度 测量与控制，一方面用时间量采样,在省去1片A/D得情况下得到12位得高精度; 另一方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，以易于进行数据得通信与显 示。该系统在中断内可以解决波形产生得

20、实时在线汁算与讣算精度问题，可精确、 实时地计算设定频率下得脉冲宽度。1单片机MSP 4 3 0F413及定时器MSP 4 3 0系列得单片机F4 1 3在超低功耗 与功能集成上都有一定得特色，可大大减小外用电路得复杂性，它得实时处理能 力及各种外用模块使其可应用在多个低功耗领域2MSP 4 30F4 13中通用I 6 位定时器Timer_A有如下主要功能模块。(1) 一个可连续递增计数至预定值并返回0得计数器。(2) 软件可选择时钟源。(3) 5个捕获/比较寄存器，每个有独立得捕获事件。(4) 5个输出模块，支持脉宽调制得需要、定时器控制寄存器TACTL得各位可控制Timer_A得配置，并定

21、义16位定时器 得基本操作,可选择原始频率或分频后得输入时钟源及4种工作模式。另外还有 清除功能与溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx得操作相同，它们通过各 自得控制寄存器CCTLx进行配置。2时间量采样及PWM控制得实现原理以应用于温度控制系统为例，介绍用定时 器实现信号采样与PWM控制得方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电 路、负载驱动电路及电源控制、低电压检测与显示电路等其她外围部分。单片机MSP4 30F413中用于测量与控制温度得主要I/O 口有：P1、0 :输出5 OHz方波，用于产生三角波。P I o 2:驱动温度控制执行元件，2 kHz方波PWM输出。P 2。0:

22、脉宽捕捉。2。1单片机端口得中断设置 温度控制系统得501-Iz方波输出、PWM输出与输 入捕捉都就是由定时中断来实现。这3个中断分别由P0、P1与P2口得外围模块 引起，属于外部可屏蔽中断、初始化时，对这3个I/O 口进行中断设置，并对Ti me_A控制寄存器TACTL设置,包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当 定义完捕获/比较寄存器后，重新赋值TACTL,启动定时器,开始连续递增汁数。2、2脉宽捕捉实现温度值得采样温度测量电路将温度值转换为电压值，同时单 片机产生得50H z方波经电容充放电电路变换得到同频率得三角波，其电压值切 割三角波，从而将温度值转换为相应宽度得脉冲送入单片

23、机。波形变化如图1所 示、通过设置CCTL x中得模式位，可将对应得捕获/比较寄存器CCRx设定为捕获模 式，用于时间事件得精确定位、如果在选定得输入引脚上发生选定脉冲得触发沿, 则定时器计数得值将被复制到CCRx中。根据这一原理，选定P2。0为输入引脚, 设置CCTL2为捕获模式,所测温度值山模拟量经测量电路转换为脉冲后,P2. 0 捕捉脉冲下降沿，进入中断T 2,得到与温度值一致得单位时间内得脉冲数，存入 CCR2作进一步处理。这样，系统就在不使用A/D转换器得情况下完成了模数转换。因为单片机得时钟 精确度高，而且时间量就是一个相对精度极高得量，但本系统中用时间量进行温 度采样可获得I 2

24、位得高精度，同时釆用5 0Hz脉冲，可以大大消除工频干扰、这 些都为进行精确得温度控制提供了必要得条件。2、3PWM信号生成原理 将捕获/比较寄存器CCRO与CCR1定义为比较模式, 它们得输出单元OUTO与0UT1分别对应单片机引脚Pl.O(TAO)与P 1 .2(TA1 )、进入比较模式后，如果定时器CCRx得计数值等于比较寄存器x中得值，则 比较信号EQUx输出到输出单元0 U Tx中，同时根据选定得模式对信号置位、复 位或翻转、其中：设置EQUO将OUTO信号翻转,信号时钟与定时器时钟同步，这样 就可以在P1. 0引脚上得到5 0Hz得方波信号;设置EQU1输出模式为PWM复位/ 置位

25、、设定模式下定时中断得输出如图2所示。根据设定得PWM复位/置位模式，若C CR1计数器溢出，则EQU 1将OUT1复位;若CCR0计数器溢出，则EQUO将O U T 1置位。利用CCR 0与CCR1H-数起始点得差值，实现占空比得变化，从而在P1.2 上完成PWM输出、系统对占空比得调节就是通过改变C CR 1得基数来实现得。 定时器时钟为2MHz、CCR 1与CCRO得讣数值为1 000时，可获得2 kHz得PWM 输出频率。负载驱动电路将单片机Pl、2引脚输出得PWM信号放大滤波，用于驱 动大功率得执行元件。一K 代 7 FU M复恆 &IEQL 1 EQI OTA(n E(JI I K

26、Ql 0倔2设定槐式F定时中驴爺输訓eeSF厅3 软件设计3. 1系统主程序 在主程序中包括系统初始化、定时器得初始化、 温度采样值得读入、负载驱动与显示等。系统进行温度值采样与PWM输出均在 定时中断内完成,PWM输出脉冲得占空比则山PID算法得到、系统主程序流程图 如图3所示。3、2 PID脉宽调节系统对脉宽得调制山PID算法实现。根据算法原理，本系统 设计了一套完全由软件实现得PID算法，并且在控制过程中完成参数得自整定。PID调节得控制过程:单片机读出数字形式得实际温度Tn,然后与设定温度Tg相 比较，得出差值e n二TnTg,根据e n得正负与大小，调用PI D公式，计算得到与 输出

27、电压 u n 致得占空比，调节温度得升降，同时寻找最优条件，改变PI D参 数。增量式P ID控制算法得输出量3:皿尸心佃-卄的佃-2sw*)式中:ce、2分别为第n次ji- 1次和n-2次的偏菱值，心、7：、八分别为比例系数、积分系数、微分系数冷为采样周期呻8维库PID调节程序直接写入单片机内，根据得到得值改变计数器CCR1得基数值，从而 改变输出脉冲得占空比，达到调节PWM得目得。3o 3定时中断 定时中断子程序流程如图4所示。系统采用得晶振频率为2M Hz, TO中断得作用就是得到频率为5 0Hz、占空比为90%得方波，用以产生三角波, 并检查个周期内就是否有漏采得数据。T0模溢出翻转为

28、高电平，输出比较间隔 为18ms、其中，C CR 0加1 了 PWM得模,该值即为CCRO与CCR 1得差值，用以产生 输出所需得脉冲宽度。槐諒.1*, I幼蚀轧为胚也平输:、捕傑，疋鼻数甥I；- 4忙些中莒亍 r-rmWeeQxr维库T1中断内处理得就是控制端口得PWM输出，并检查1个周期内就是否重复采集 数据，T1输出比较产生低电平，输出比较间隔为2 0ms、T2中断捕捉温度测量端 口得脉宽,得到所测得温度值。4结束语 利用单片机MSP4 3 0F413内得定时器Time. A进行温度采样以 及实现PWM调节得方法，可以广泛用于具有端口捕捉功能得单片机中、与传统方 法比较，它不仅可以简化测

29、量与控制电路得硕件结构，而且可以方便地建立人机 接口，实现用软件调整参数，使控制更精确、实时、可靠。经过实验，该方法应用 于温度控制系统中获得了预期得精确PWM调节波形。该方法同样可以用于其她单 片机控制系统中。PWM技术编辑PWM就是一种对模拟信号电平进行数字编码得方法。通过高分辨率计数器 得使用，方波得占空比被调制用来对一个具体模拟信号得电平进行编码。PWM信 号仍然就是数字得，因为在给定得任何时刻，满幅值得直流供电要么完全有(ON), 要么完全无(OFF)o电压或电流源就是以一种通(ON)或断(0FF)得重复脉冲序列 被加到模拟负载上去得。通得时候即就是直流供电被加到负载上得时候,断得时

30、 候即就是供电被断开得时候、只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编 码。简介脉宽调制(PWM: (Pul s e Wid t h Modul a tion)就是利用微处理器得数字输 出来对模拟电路进行控制得一种非常有效得技术，广泛应用在从测量、通信到功 率控制与变换得许多领域中。优点PWM得一个优点就是从处理器到被控系统信号都就是数字形式得，在进行数 模转换。可将噪声影响降到最低(可以话跟电脑一样。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。对噪声抵抗能力得增强就是PWM相对于模拟控制得另外一个优点，而且这也 就是在某些时候将PWM用于通

31、信得主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地 延长通信距离。在接收端，通过适当得RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将 信号还原为模拟形式。PWM控制技术一直就是变频技术得核心技术之一、1964年A、Schon u n g 与H、stemmier首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动得 推广应用开辟了新得局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波与参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 SPWM信号以控制功率器件得开关开始，到H前釆用全数字化方案，完成优化得 实时在线得PWM信号输出，可以说直到LI前为止,PWM在各种应用场合仍在主导 地位，并一直就是人们研究得热点。山于PWM可以同时实

32、现变频变压反抑制谐波得特点。山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，正弦PWM（包 括电压，电流或磁通得正弦为LI标得各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优 化PWM及随机PWM、正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形, 降低电源系统谐波得多重PW技术在大功率变频器中有其独特得优势（如ABB ACS1000系列与美国RO B ICON公司得完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求得 则就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LI标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶

33、体管主要为双极性达林顿三极 管，载波频率一般最高不超过5 kHz,电机绕组得电磁噪音及谐波引起得振动引起 人们得关注、为求得改善，随机PWM方法应运而生、其原理就是随机改变开关频 率使电机电磁噪音近似为限带口噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布就 是均匀得），尽管噪音得总分贝数未变，但以固定开关频率为特征得有色噪音强度 大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用得今天，对于载波频率必须限 制在较低频率得场合，随机PWM仍然有其特殊得价值（DTC控制即为一例）；别一 方面则告诉人们消除机械与电磁噪音得最佳方法不就是盲LI地提高工作频率，因 为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题得全新

34、思路。儿种PWM控制方法采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同得窄脉冲加在具有惯 性得环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就就是以该结论为理论基础，对半 导体开关器件得导通与关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相 等得脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其她所需要得波形按一定得规则对各脉 冲得宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压得大小,也可改变输出频率.PWM控制得基本原理很早就已经提出，但就是受电力电子器件发展水平得制 约，在上世纪80年代以前一直未能实现、直到进入上世纪80年代，随着全控型电力 电子器件得出现与迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术,

35、 微电子技术与自动控制技术得发展以及各种新得理论方法，如现代控制理论，非 线性系统控制思想得应用，PWM控制技术获得了空前得发展.到U前为止，已出 现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术得特点，到U前为止主要有以下8类方 法、1相电压控制PWM等脉宽PWM法V VVF (V a ri a bl e V o It a g e Vari a ble F requenc y )装置在早期就是 釆用P AM(P u Ise Am p litude Modulatio n )控制技术来实现得,其逆变器部分 只能输出频率可调得方波电压而不能调压、等脉宽PWM法正就是为了克服PAM 法得这个缺点发展而来

36、得，就是PWM法中最为简单得一种、它就是把每一脉冲得 宽度均相等得脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列得周期可以调频，改变脉冲得 宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化、相对于 PAM法,该方法得优点就是简化了电路结构，提高了输入端得功率因数，但同时也 存在输出电压中除基波外，还包含较大得谐波分量。随机PWM在上世纪7 0年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双 极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组得电磁噪音及谐波造成 得振动引起了人们得关注、为求得改善，随机PWM方法应运而生.其原理就是随机 改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带口噪声(

37、在线性频率坐标系中，各频率 能量分布就是均匀得)，尽管噪音得总分贝数未变，但以固定开关频率为特征得有 色噪音强度大大削弱。正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用得今天，对于载波 频率必须限制在较低频率得场合，随机PWM仍然有其特殊得价值;另一方面则说 明了消除机械与电磁噪音得最佳方法不就是盲U地提高工作频率，随机PWM技 术正就是提供了一个分析,解决这种问题得全新思路.SPWM 法SPW(Sinusoidal PWM)法就是一种比较成熟得，訂前使用较广泛得PWM法. 前面提到得采样控制理论中得一个重要结论:冲量相等而形状不同得窄脉冲加在 具有惯性得环节上时，其效果基本相同.SPWM法就就是以该

38、结论为理论基础，用 脉冲宽度按正弦规律变化而与正弦波等效得PWM波形即SPWM波形控制逆变电 路中开关器件得通断，使其输出得脉冲电压得面积与所希望输出得正弦波在相应 区间内得面积相等，通过改变调制波得频率与幅值则可调节逆变电路输出电压得 频率与幅值。该方法得实现有以下儿种方案.等面积法该方案实际上就就是SPWM法原理得直接阐释，用同样数量得等幅而不等宽得 矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲得宽度与间隔，并把这些数据存于微 机中,通过查表得方式生成PWM信号控制开关器件得通断，以达到预期得口得。 山于此方法就是以SPW控制得基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器 件得通断时刻，其所得得得

39、波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存 大，不能实时控制得缺点。硬件调制法硬件调制法就是为解决等面积法讣算繁琐得缺点而提出得，其原理就就是把 所希望得波形作为调制信号，把接受调制得信号作为载波,通过对载波得调制得 到所期望得PW波形。通常采用等腰三角波作为载波，半调制信号波为正弦波时, 所得到得就就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波 与正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们得交点，在交点时刻对开关器件得 通断进行控制，就可以生成SPWM波、但就是，这种模拟电路结构复杂，难以实现 精确得控制、软件生成法山于微机技术得发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，

40、因此，软件生 成法也就应运而生.软件生成法其实就就是用软件来实现调制得方法，其有两种 基本算法，即自然采样法与规则采样法。自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较，在两个波形得自然交点时 刻控制开关器件得通断，这就就是自然采样法。其优点就是所得SPWM波形最接 近正弦波，但山于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距, 从而脉宽表达式就是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制.规则采样法规则采样法就是一种应用较广得工程实用方法,一般采用三角波作为载波、 其原理就就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波得交 点时刻控制开关器件得通断，从而实现SPWM法.

41、当三角波只在其顶点（或底点） 位置对正弦波进行采样时，山阶梯波与三角波得交点所确定得脉宽，在一个载波 周期（即采样周期）内得位置就是对称得，这种方法称为对称规则采样。当三角波 既在其顶点乂在底点时刻对正弦波进行采样时，III阶梯波与三角波得交点所确定 得脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期得两倍）内得位置一般并不对称，这种 方法称为非对称规则采样.规则采样法就是对自然采样法得改进，其主要优点就就是就是计算简单，便 于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点就是直 流电压利用率较低,线性控制范围较小。以上两种方法均只适用于同步调制方式中、低次谐波消去法低次谐波消去法就是以消

42、去PWM波形中某些主要得低次谐波为口得得方法。 其原理就是对输出电圧波形按傅氏级数展开,表示为u（31）二ansinn 31,首先确 定基波分量得值，再令两个不同得an二0,就可以建立三个方程，联立求解得 &1,&2及a 3,这样就可以消去两个频率得谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定得低次谐波，但就是，剩余未消去得较低 次谐波得幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂得缺点。该方法同样只适用 于同步调制方式中。梯形波与三角波比较法前面所介绍得各种方法主要就是以输出波形尽量接近正弦波为LI得，从而忽 视了直流电压得利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86、6%。因此，为了 提高直流电压利用

43、率，提出了一种新得方法一-梯形波与三角波比较法、该方法就 是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波得交点时 刻控制开关器件得通断实现PWM控制。山于当梯形波幅值与三角波幅值相等时，其所含得基波分量幅值已超过了三 角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率、但山于梯形波本身含有低次谐 波,所以输出波形中含有5次，7次等低次谐波.线电压控制PWM前面所介绍得各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都就是对三相输出 相电压分别进行控制得，使其输出接近正弦波,但就是，对于像三相异步电动机这 样得三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电圧接近正弦，而可着眼于使 线电压趋于正弦.因

44、此提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法。马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法也就就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理就是在 正弦波中加入一定比例得三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降 低，于就是在调制信号得幅值不超过载波幅值得情况下，可以使基波幅值超过三 角波幅值，提高了直流电压利用率、在三相无中线系统中，山于三次谐波电流无通 路，所以三个线电压与线电流中均不含三次谐波4、除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其她3倍频于正弦波信号得其她波形，这些信号都不会影响线电压。这就是因为，经过PW调制后逆变电路输出得相电压也必然包含相应 得3倍频于正弦波信号得谐波，但在

45、合成线电压时，各相电压中得这些谐波将互 相抵消，从而使线电压仍为正弦波.单元脉宽调制法因为，三相对称线电压有Uuv+U v w+Uwu二0得关系，所以，某一线电压任何时 刻都等于另外两个线电压负值之与。现在把一个周期等分为6个区间，每区间6 0，对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60区间用Uuv本身表示，中间 60区间用一 (Uvw+Uwu)表示，当将Cvw与Uwu作同样处理时，就可以得到三相 线电压波形只有半周内两边60区间得两种波形形状，并且有正有负.把这样得 电圧波形作为脉宽调制得参考信号，载波仍用三角波，并把各区间得曲线用直线 近似(实践表明，这样做引起得误差不大，完全可行)，就可

46、以得到线电压得脉冲波 形，该波形就是完全对称，且规律性很强，负半周就是正半周相应脉冲列得反相， 因此，只要半个周期两边6 0 区间得脉冲列一经确定，线电压得调制脉冲波形就 唯一地确定了、这个脉冲并不就是开关器件得驱动脉冲信号，但山于已知三相线 电压得脉冲工作模式，就可以确定开关器件得驱动脉冲信号了.该方法不仅能抑制较多得低次谐波，还可减小开关损耗与加宽线性控制区， 同时还能带来用微机控制得方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小.电流控制PWM电流控制PWM得基本思想就是把希望输出得电流波形作为指令信号,把实际 得电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值得比较来决定各开关器件得通断，使 实际

47、输出随指令信号得改变而改变P 4SEL 二 0X 0 E ; P4DIR二 OxFF; P40UT 二 OxFF; T BCCTL1 = OUT MOD J- / CCR 1 reset/set TB CCTL2 = OU TMOD_7; / / C CR2 r e s e t/se t TBCCTL3 = 0UTM0D_7; / CCR 3 r eset/se t TBC CRO二5000; TBCCR1 = pwm 1 dl; TBCCR2二pwm2 d 1; TBC C R 3 = pwm 3 d I ; TBCTL = T B S S EL_2+ TBC L R + MC_1;/ /

48、MCLK, UP 改变TBCCR1, TBCCR2, TBCCR3 便改变占空比。TA得您自已改吧。单片机要选TA可以输出7路PWM得。PWM波形生成原理脉宽调制(Pu 1 seWidth M o dul a t ion, PWM)技术在电力电子领域 得应用极其广泛。PWM模式就是决定逆变器输出电圧特性得根本。性能优越得 PWM模式可以使逆变器具有良好得输出特性。III傅里叶分析可知，不对称波形会 带来大量低次谐波、偶次谐波以及余弦项。因此PWM脉冲波形得对称性对输出 特性有很大影响。4PWM得实现方法一般有两种：比较法与计算法。随着数字技术得迅速发展与计算机功能得提高，计算法以其方便灵活得特

49、点成为PWM 实现方法得主流。采用计算法实现PWM时，按照每个载波周期内调制波得取法， 可以分为规则采样PWM与自然采样PWMO其中，采用规则采样法，计算简单，占 用系统软件资源较少，因而应用比较广泛;但就是山规则采样法计算出得PWM波 形，在系统载波频率较低时，输出精度差，并且在计算时需要通过查表确定计算结 果，所以并不能保证其波形得对称性，谐波含量也会因为波形得不对称而增加、 对于调制类PWM,有三种方式：同步调制，异步调制，分段同步调制三种方 式。同步调制虽然可以在调制波频率变化得所有范围内，载波与调制波得相位相 同，PWM波形一直保持对称，输出谐波得低次谐波可以得到消除。但就是在载波

50、频率变化范围大时，电力电子器件得开关频率变化范围大，在低频时，将给系统引 入大量较低频率得谐波。异步调制得优点在于载波频率在调速过程中载波不变， 高次谐波对系统得影响基本固定，可以弥补同步调制得缺点。但就是异步调制无 法在大部分频率点上都保证调制波与载波相位相对得固定，出现不对称波形，会 给系统引入大量得低次谐波、偶次谐波与余弦项。分段同步调制可以综合以上两 种方式得优点，但在波比切换时可能出现电压突变，甚至震荡。基于以上理论，本 文提出一种新得PWM算法，可以在异步调制下，使PWM波形在T/2周期内始终保 持关于T/4周期得完全对称。1 PWM算法原理a在用数字化控制技术产生PWM脉冲时，三

51、角载波实际上就是不存在得，完全山软件及硬件定时器代替，图1为三角载波得产生原理 (Ttimer为定时器得值)用阶梯波代替模拟三角波。PWM脉冲得产生机理为： 定时器重复按照PWM周期进行计数。比较寄存器用于保持调制值，比较寄存器中 得值与定时器讣数器得值相比较，当两个值匹配时，PWM输出就会跳变；当两个值 产生二次匹配或者一个定时器得周期结束时,就会产生第二次输出跳变。通过这种方式就会产生一个周期与比较寄存器值成比例得脉冲信号。在比较单元中重复完成汁数、匹配输出得过程，产生PWM信号如图2所示、圏 2 致于化担啊产生 PWIVI 估号机理基于数字化控制技术产生PWM脉冲得这种特点,利用本文提出得算法，可以 实现在任何频率下产生完全对称得PWM波形。其原理为:根据三角载波频率及D SP系统时钟频率确定定时器周期，利用数学计算方法，将形成载波得定时器周 期等分，均分后所得到得数作为脉宽增量