【PWM詳解】幾種PWM的控制方式-KIA MOS管

PWM一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。脈沖寬度調(diào)制(PWM )是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。

通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。

通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。

PWM實(shí)際波形圖

按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。

直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線(xiàn)性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。來(lái)看看幾種PWM控制方法。

1、線(xiàn)電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線(xiàn)電壓趨于正弦。因此提出了線(xiàn)電壓控制PWM。

2、電流控制 PWM

電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。

3、空間電壓矢量控制PWM

空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)形成PWM波形。

此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，以?xún)?nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通)。具體方法又分為磁通開(kāi)環(huán)式和磁通閉環(huán)式磁通開(kāi)環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小可合成任意電壓矢量。

4、矢量控制PWM

矢量控制也稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流la，Ib及Ic，通過(guò)三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流la1及Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；

It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)分別對(duì)速度磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。

但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足，此外。它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。

5、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM

1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱(chēng)DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制，它也不需要解耦電機(jī)模型，而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值。

然后，經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化，有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度，并以新穎的控制思想簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn)如逆變器開(kāi)關(guān)頻率的提高有限制。

6、非線(xiàn)性控制PWM

單周控制法又稱(chēng)積分復(fù)位控制(ntegraTIon Reset Control，簡(jiǎn)稱(chēng)IRC)，是一種新型非線(xiàn)性控制技術(shù)其基本思想是控制開(kāi)關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開(kāi)關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。

該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)積分器，觸發(fā)電路，比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器，比較器，積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS觸發(fā)器，其控制原理如圖1所示圖中K可以是任何物理開(kāi)關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。

單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開(kāi)關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快，開(kāi)關(guān)頻率恒定，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)，減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

7、諧振軟開(kāi)關(guān)PWM

傳統(tǒng)的PWM逆變電路中，電力電子開(kāi)關(guān)器件硬開(kāi)關(guān)的工作方式，大的開(kāi)關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的du/dt和di/dt限制了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子主要發(fā)展趨勢(shì)之一，它能使變換器體積減小重量減輕，成本下降，性能提高；特別當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率在18kHz以上時(shí)，噪聲將已超過(guò)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍，使無(wú)噪聲傳動(dòng)系統(tǒng)成為可能諧振軟開(kāi)關(guān)PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，附加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)。

諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感諧振電容和功率開(kāi)關(guān)組成，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開(kāi)關(guān)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)過(guò)程，諧振過(guò)程極短，基本不影響PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，從而既保持了PWM技術(shù)的特點(diǎn)又實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會(huì)產(chǎn)生諧振損耗，并使電路受固有問(wèn)題的影響，從而限制了該方法的應(yīng)用。

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