PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述

    摘要：總結(jié)了PWM技術(shù)問世至今各種主要的實(shí)現(xiàn)方法，敘述了它們的基本工作原理，并分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：PWM；空間矢量；直接轉(zhuǎn)矩控制；非線性

引言

采樣控制理論中有一個重要結(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，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)，對半導(dǎo)體開關(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，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(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。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類方法。

1 相電壓控制PWM

1.1 等脈寬PWM法[1]

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude Modulation）控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。

1.2 隨機(jī)PWM

在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個分析、解決這種問題的全新思路。

1.3 SPWM法

SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(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，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。

1.3.1 等面積法

該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時控制的缺點(diǎn)。

1.3.2 硬件調(diào)制法

硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。

1.3.3 軟件生成法

由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。

1.3.3.1 自然采樣法[2]

以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個波形的自然交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個超越方程，計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時控制。

1.3.3.2 規(guī)則采樣法[3]

規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)（或底點(diǎn)）位置對正弦波進(jìn)行采樣時，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時刻對正弦波進(jìn)行采樣時，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個載波周期（此時為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣。

規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單，便于在線實(shí)時運(yùn)算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。

以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中。

1.3.4 低次諧波消去法[2]

低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為u（ωt）=ansinnωt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。

該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。

1.4 梯形波與三角波比較法[2]

前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86.6％。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。

由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。

2 線電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對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，對于像三相異步電動機(jī)這樣的三相無中線對稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法。

2.1 馬鞍形波與三角波比較法

馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式（HIPWM），其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波[4]。

除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。這是因?yàn)?，?jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。

2.2 單元脈寬調(diào)制法[5]

因?yàn)椋鄬ΨQ線電壓有Uuv＋Uvw＋Uwu=0的關(guān)系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負(fù)值之和。現(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60°，對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊60°區(qū)間用Uuv本身表示，中間60°區(qū)間用－(Uvw＋Uwu)表示，當(dāng)將Uvw和Uwu作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù)。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似（實(shí)踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行），就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規(guī)律性很強(qiáng)，負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相，因此，只要半個周期兩邊60°區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了。這個脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖信號了。

該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時還能帶來用微機(jī)控制的方便，但該方法只適用于異步電動機(jī)，應(yīng)用范圍較小。

3 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，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號的改變而改變。其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下3種。

3.1 滯環(huán)比較法[4]

這是一種帶反饋的PWM控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器，得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，動態(tài)性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音，和其他方法相比，在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多。

3.2 三角波比較法[2]

該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波。此時開關(guān)頻率一定，因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn)。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快。

3.3 預(yù)測電流控制法[6]

預(yù)測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時，根據(jù)實(shí)際電流誤差，負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量，來預(yù)測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。目前，這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

4 空間電壓矢量控制PWM[7]

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)磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關(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)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波形。此法從電動機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個整體，以內(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(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高15％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機(jī)的脈動和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。

5 矢量控制PWM[8]

矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(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)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿對直流電動機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對交流電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度、磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，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，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)用場合帶來不便。

6 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM[8]

1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，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信號對逆變器的開關(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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(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)，如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制。

7 非線性控制PWM

單周控制法[7]又稱積分復(fù)位控制（Integration Reset Control，簡稱IRC），是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個周期使開關(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)同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，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可以是任何物理開關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號。

單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。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)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(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。

8 諧振軟開關(guān)PWM

傳統(tǒng)的PWM逆變電路中，電力電子開關(guān)器件硬開關(guān)的工作方式，大的開關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的du/dt和di/dt限制了開關(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)開關(guān)頻率在18kHz以上時，噪聲將已超過人類聽覺范圍，使無噪聲傳動系統(tǒng)成為可能。

諧振軟開關(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、諧振電容和功率開關(guān)組成。開關(guān)轉(zhuǎn)換時，諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開關(guān)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程，諧振過程極短，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)了軟開關(guān)技術(shù)。但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會產(chǎn)生諧振損耗，并使電路受固有問題的影響，從而限制了該方法的應(yīng)用。

9 結(jié)語

本文較詳細(xì)地總結(jié)了各種PWM控制方法的原理，并簡單說明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。