WM技术实现方法

PWM技术实现方法综述

摘要：总结了PWM技术问世至今各种主要的实现方法，叙述了它们的基本工作原理，并分析了它们各自的优缺点。

关键词：PWM；空间矢量；直接转矩控制；非线性李旭谢运祥

引言

采样控制理论中有一个重要结论：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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，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的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。

1相电压控制PWMPWM技术实现方法综述

1.1等脉宽PWM法[1]

VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的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，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。

1.2随机PWM

在上世纪70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，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。

1.3SPWM法

SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：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。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。等面积法

该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。够差陡1.虾3.燃2医硬驰件调尿制法烂疤扑硬件嚼调制秧法是盾为解棋决等嫌面积染法计剑算繁指琐的骗缺点图而提祸出的逆，其屑原理原就是对把所像希望阵的波驰形作雷为调变制信各号，搂把接踪受调笋制的诞信号枪作为新载波雹，通策过对辈载波逗的调寨制得贺到所准期望雀的P婆WM忆波形返。通截常采猛用等粮腰三担角波盒作为岁载波骆，当帖调制恰信号炭波为弹正弦庸波时营，所帜得到省的就占是S常PW聋M波鸣形。垒其实月现方储法简役单，券可以琴用模哲拟电将路构拢成三腰角波技载波北和正愚弦调息制波腰发生振电路枕，用省比较跟器来眨确定拣它们多的交皆点，伟在交任点时免刻对壶开关图器件头的通估断进挖行控絮制，敬就可倍以生继成S乒PW骂M波节。但钓是，孙这种阳模拟战电路商结构尊复杂梅，难羞以实历现精驴确的队控制皆。趣熊戏1.翅3.催3裳软滨件生斯成法牲兰鼠由于澡微机松技术铜的发她展使陵得用下软件尿生成漠SP负WM智波形桥变得省比较工容易芳，因颜此，评软件练生成述法也愚就应礼运而欺生。奔软件奴生成脊法其艰实就忠是用帜软件物来实察现调护制的灯方法历，其德有两永种基脑本算行法，古即自野然采禁样法鬼和规吐则采槽样法农。争絮湿1.妨3.搜3苏.1差自院然采稿样法除[2奇]林庙议以正椅弦波症为调瞧制波陆，等洲腰三戴角波链为载拣波进盘行比育较，似在两暑个波析形的票自然棕交点政时刻底控制炮开关吨器件切的通汽断，罚这就引是自金然采宪样法语。其自优点峡是所酿得S盾PW潮M波乏形最铅接近葱正弦恭波，成但由漆于三稳角波屿与正侨弦波住交点斜有任拦意性默，脉床冲中爽心在搜一个眯周期怕内不茄等距蛾，从警而脉斧宽表丈达式像是一帖个超期越方锹程，严计算培繁琐咐，难去以实仇时控氏制。货拾秋1.训3.炒3奸.2斯规饭则采阁样法翁[3牛]标拾稳规则微采样利法是旦一种巧应用蛋较广恢的工淡程实枕用方岩法，党一般荒采用朽三角内波作同为载丛波。检其原秆理就割是用泄三角茂波对交正弦裂波进井行采余样得喉到阶疾梯波懒，再倦以阶淹梯波擦与三堪角波售的交遥点时喊刻控贿制开找关器姐件的氏通断柱，从斗而实贸现S遗PW匠M法誉。当耐三角们波只抱在其半顶点偷（或煌底点叹）位秧置对壮正弦茅波进盘行采竿样时点，由盆阶梯发波与折三角逐波的但交点夹所确贷定的追脉宽歌，在均一个鸣载波吩周期策（即殊采样枯周期茫）内真的位扇置是粱对称弟的，矩这种搅方法榜称为搬对称换规则锡采样锦。当咱三角妥波既病在其讯顶点休又在搞底点不时刻夫对正很弦波截进行准采样庆时，虚由阶该梯波京与三歼角波千的交次点所球确定晃的脉辜宽，栽在一锣个载筛波周括期（错此时虎为采便样周炸期的倡两倍机）内劳的位毒置一富般并歌不对慈称，传这种花方法举称为膜非对怜称规凭则采艺样。符针慨规则非采样厅法是壤对自室然采谷样法鞭的改横进，舅其主针要优滥点就款是是池计算章简单罩，便拾于在歇线实沫时运射算，舟其中谷非对绳称规续则采栏样法刑因阶减数多球而更俱接近烘正弦妄。其倡缺点态是直锦流电阴压利沈用率培较低寺，线外性控丢制范立围较絮小。汤捷自以上参两种达方法轰均只肿适用轨于同遥步调泰制方偿式中子。图指矛1.及3.除4链低能次谐志波消惭去法蚁[2描]长范中低次缘谐波煮消去高法是碑以消田去P非WM放波形射中某规些主竭要的仙低次言谐波嘴为目钥的的肌方法观。其示原理考是对摘输出示电压鄙波形苏按傅旬氏级婚数展窑开，壤表示门为u伟（ω器t）狡=a论ns肝in贤nω捎t，眠首先时确定沃基波语分量叔a1搁的值悲，再雁令两纷个不绵同的级an仗=0省，就翁可以寒建立到三个断方程姥，联纲立求掠解得贼a1巷，a之2及蜻a3沸，这驻样就执可以讲消去波两个爱频率副的谐补波。俭愚钞该方痛法虽温然可婶以很暖好地馆消除愧所指彼定的郑低次圾谐波舅，但摔是，请剩余弹未消虏去的迅较低私次谐交波的北幅值桌可能民会相可当大央，而品且同芳样存幕在计脱算复模杂的叶缺点翅。该指方法柜同样映只适秘用于掀同步凭调制克方式岩中。盛眉肺1.鼓4矩梯形展波与啦三角两波比奇较法瓶[2寨]居逮抚前面畜所介优绍的青各种专方法带主要嫂是以筛输出薪波形姿尽量预接近以正弦钥波为惭目的撞，从泉而忽葛视了窝直流货电压北的利讽用率拦，如扛SP丧WM侵法，台其直补流电率压利肤用率很仅为娘86脆.6济％。伟因此拘，为牲了提漫高直蜻流电绕压利链用率跌，提浮出了门一种昨新的闹方法离--雪梯形埋波与皇三角孔波比旬较法叫。该拳方法蝴是采截用梯活形波夺作为犯调制辰信号株，三秀角波料为载战波，藏且使壤两波旧幅值盛相等宇，以者两波甚的交绘点时槽刻控管制开夫关器冈件的宁通断蓬实现秃PW毒M控盖制。共虎闷由于似当梯笔形波蜻幅值誉和三盼角波汗幅值痛相等永时，线其所固含的涂基波珍分量孕幅值畏已超产过了汤三角他波幅谣值，腰从而盐可以洞有效丢地提飘高直昨流电课压利都用率窃。但珍由于早梯形偿波本参身含假有低歪次谐掘波，味所以予输出死波形桥中含状有5绳次、陷7次谁等低泥次谐卫波。禾席饥2得线电伞压控附制P井WM欺鸣预前面丛所介盾绍的居各种遮PW睁M控氧制方礼法用辞于三简相逆谷变电脱路时京，都势是对活三相添输出召相电夺压分子别进横行控孔制的招，使崭其输汽出接廊近正薄弦波泼，但长是，环对于悉像三器相异各步电启动机晚这样斩的三蚁相无侨中线柏对称卫负载厨，逆禽变器琴输出孝不必串追求繁相电松压接险近正琴弦，闪而可易着眼铅于使日线电没压趋本于正功弦。木因此捉，提嗓出了错线电蔬压控选制P终WM鉴，主兰要有匠以下秀两种未方法播。津虚哨2.荷1虏马鞍书形波仅与三矮角波队比较边法幸慨想马鞍池形波穴与三营角波膝比较递法也嚷就是皆谐波摧注入李PW瞧M方搂式（菊HI黑PW缎M）粗，其或原理城是在促正弦文波中眨加入膏一定发比例铸的三零次谐救波，小调制盯信号需便呈酿现出快马鞍室形，羞而且逢幅值滋明显币降低燕，于进是在违调制仓信号涉的幅屿值不鉴超过帅载波勾幅值腐的情商况下单，可覆以使转基波素幅值场超过策三角薪波幅是值，聋提高劳了直卡流电滨压利多用率票。在递三相值无中森线系纹统中气，由啄于三艰次谐弄波电窝流无丘通路殿，所素以三驴个线扎电压缩和线逢电流奇中均锡不含揪三次睬谐波眯[4腾]。仍雷贝除了说可以愈注入忍三次仁谐波食以外赠，还疲可以葡注入敏其他南3倍源频于尊正弦警波信暗号的猴其他孙波形主，这净些信悲号都融不会肠影响着线电蛇压。浩这是泊因为处，经纽过P萍WM圆调制芽后逆领变电饿路输古出的僚相电聋压也多必然减包含国相应县的3荒倍频山于正认弦波姻信号睛的谐漏波，互但在访合成克线电碌压时提，各既相电眠压中难的这漫些谐僵波将邮互相未抵消长，从府而使惕线电姑压仍益为正湾弦波犹。仰沙徐2.用2榨单元争脉宽仿调制抵法[愚5]捡针邮因为嗓，三愤相对筹称线踢电压史有置Uu唱v＋急Uv岭w＋资Uw县u=替0的裕关系咱，所旁以，著某一姥线电钓压任远何时吸刻都此等于销另外集两个课线电环压负造值之弹和。乐现在孝把一恐个周到期等袄分为脆6个队区间郊，每擦区间精60源°，尼对于路某一础线电着压例蚀如U降uv垂，半剧个周厚期两赏边6慧0°馒区间抛用U木uv吉本身键表示忍，中冻间6番0°艇区间搬用－那(U屠vw迟＋U帐wu遣)表扒示，乘当将珍Uv妖w和饮Uw逗u作俯同样搅处理忽时，取就可牙以得挪到三田相线效电压卸波形爷只有链半周饶内两底边6尝0°药区间房的两传种波打形形购状，陵并且捆有正贺有负陵。把侵这样弄的电臭压波汤形作柴为脉巧宽调塘制的窗参考含信号劲，载刺波仍炒用三娱角波赵，并状把各撤区间弱的曲蔬线用夜直线质近似炼（实桶践表躺明，蝇这样挎做引映起的百误差皆不大床，完哲全可档行）膀，就元可以挪得到温线电钳压的凝脉冲吉波形切，该冈波形碎是完戚全对侵称，界且规抽律性摧很强膀，负费半周徐是正厕半周寨相应秃脉冲俊列的莲反相考，因析此，筛只要蚊半个纯周期胸两边市60船°区觉间的搜脉冲棉列一宾经确环定，罢线电镰压的滚调制牢脉冲积波形寿就唯满一地踪确定递了。止这个葛脉冲姜并不惜是开头关器更件的军驱动储脉冲欧信号牧，但破由于构已知方三相装线电胖压的龟脉冲痕工作歼模式瘦，就鲁可以软确定济开关乱器件屡的驱宵动脉日冲信棕号了筝。赞摧萝该方饿法不韵仅能痰抑制箩较多辩的低植次谐昂波，前还可跟减小肢开关眼损耗批和加略宽线改性控楼制区折，同暮时还事能带足来用奋微机渐控制谁的方挡便，监但该略方法铃只适袭用于明异步摄电动水机，缎应用铜范围竞较小通。流互窃3泪电流糠控制垫PW暑M扇汽英电流懂控制响PW斜M的咐基本须思想榆是把篇希望哪输出当的电深流波兴形作袖为指刑令信裂号，垒把实能际的蛋电流柄波形花作为临反馈祝信号肝，通驼过两火者瞬中时值诱的比睁较来棋决定翁各开歌关器霸件的垃通断优，使砖实际山输出始随指颜令信条号的昏改变车而改僻变。段其实疾现方造案主枕要有坛以下希3种暮。弟冲偶3.坛1愚滞环炎比较航法[泊4]穗衔形这是胶一种夕带反应馈的触PW瓦M控服制方报式，退即每述相电塑流反粪馈回竖来与辜电流肯给定铅值经籍滞环排比较李器，才得出熊相应疼桥臂州开关习器件受的开愁关状盯态，纸使得康实际功电流劫跟踪瞎给定泉电流桑的变季化。为该方作法的摄优点乔是电总路简晴单，辫动态惨性能秤好，终输出谦电压捏不含办特定背频率洽的谐期波分载量。滩其缺拜点是育开关耻频率教不固狂定造厌成较仓为严络重的问噪音址，和迟其他槽方法取相比娱，在币同一窜开关奥频率当下输搂出电别流中达所含秒的谐矿波较抓多。督完弯3.遮2赌三角科波比鞋较法物[2庄]易梦氧该方杨法与快SP守WM枯法中躲的三表角波将比较倾方式鼻不同呼，这孤里是话把指望令电桌流与次实际珍输出截电流哈进行乖比较椅，求箭出偏访差电智流，快通过枕放大汪器放弓大后坟再和组三角姨波进山行比汁较，蹦产生戒PW蜡M波脉。此庭时开鼠关频巴率一展定，弄因而翅克服常了滞浙环比鼓较法哄频率评不固辈定的从缺点奴。但限是，怜这种威方式控电流焦响应乒不如蛙滞环距比较码法快撞。遍耕而3.川3联预测猾电流域控制睡法[河6]找乌柔预测攀电流单控制只是在掠每个秤调节番周期进开始机时，傅根据没实际粗电流律误差器，负招载参旗数及俭其它牢负载枝变量迎，来既预测抵电流砖误差吧矢量敌趋势业，因吉此，雷下一围个调婚节周捧期由扣PW划M产缝生的黎电压让矢量咽必将纽减小亡所预他测的臂误差衫。该迹方法献的优灿点是猪，若循给调具节器祸除误仁差外卡更多凡的信丘息，虏则可镇获得疮比较主快速锯、准剂确的戚响应睁。目等前，拿这类益调节绣器的捐局限竖性是拦响应取速度号及过赠程模换型系际数参刷数的爱准确脉性。盲少母4淹空间李电压舅矢量晴控制规PW茂M[毅7]红耍茶空间额电压盾矢量钞控制古PW瓦M（注SV己PW眠M）贪也叫俩磁通秋正弦村PW邮M法瑞。它农以三告相波鞭形整兵体生姑成效海果为漏前提救，以梯逼近挤电机挨气隙欺的理部想圆园形旋或转磁炎场轨脏迹为颈目的周，用浴逆变和器不艰同的鲜开关灯模式翅所产些生的欲实际富磁通屠去逼培近基鸦准圆页磁通筒，由兼它们捉的比扯较结摊果决肚定逆僻变器携的开讨关，或形成瘦PW诚M波告形。躬此法绪从电粒动机挎的角此度出闯发，稿把逆垂变器劝和电保机看替作一战个整登体，逆以内狗切多胞边形今逼近午圆的脏方式榆进行湖控制盲，使炕电机藏获得落幅值扁恒定策的圆偏形磁弹场(笼正弦雷磁通尽)。寸薯火具体输方法慕又分宗为磁钉通开天环式策和磁斥通闭望环式蜂。磁光通开就环法隙用两葛个非触零矢哀量和坊一个瞧零矢棚量合以成一弟个等警效的患电压泥矢量爱，若摘采样东时间堪足够吨小，穴可合奶成任沙意电罪压矢赵量。亩此法管输出吊电压狼比正化弦波渗调制弟时提仆高1梦5％拿，谐掌波电咽流有收效值弱之和侄接近补最小浴。磁梨通闭袭环式矮引入性磁通苹反馈遇，控双制磁仓通的初大小揪和变冬化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