PWM技術(shù)實(shí)現方法綜述

引言

采樣控制理論中有一個(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結論為理論基礎，對半導體開(kāi)關(guān)器件的導通和關(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。按一定的規則對各脈沖的寬度進(jìn)行調制，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80年代以前一直未能實(shí)現。直到進(jìn)入上世紀80年代，隨著(zhù)全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。隨著(zhù)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，如現代控制理論、非線(xiàn)性系統控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現了多種PWM控制技術(shù)，根據PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類(lèi)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 Amplitu

 
de Modulation）控制技術(shù)來(lái)實(shí)現的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)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(guò)改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化。相對于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結構，提高了輸入端的功率因數，但同時(shí)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PWM

在上世紀70年代開(kāi)始至上世紀80年代初，由于當時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開(kāi)關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線(xiàn)性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說(shuō)明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析、解決這種問(wèn)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(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規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(kāi)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區間內的面積相等，通過(guò)改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現有以下幾種方案。

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?zhuān)猛瑯訑盗康牡确坏葘挼木匦蚊}沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數據存于微機中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達到預期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準確地計算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數據占用內存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。

1.3.2 硬件調制法

硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過(guò)對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調制信號波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結構復雜，難以實(shí)現精確的控制。

1.3.3 軟件生成法

由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現調制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規則采樣法。

1.3.3.1 自然采樣法[2]

以正弦波為調制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)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(gè)周期內不等距，從而脈寬表達式是一個(gè)超越方程，計算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。

13.3.2 規則采樣法[3]

規則采樣法是一種應用較廣的工程實(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(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現SPWM法。當三角波只在其頂點(diǎn)（或底點(diǎn)）位置對正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（即采樣周期）內的位置是對稱(chēng)的，這種方法稱(chēng)為對稱(chēng)規則采樣。當三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期（此時(shí)為采樣周期的兩倍）內的位置一般并不對稱(chēng)，這種方法稱(chēng)為非對稱(chēng)規則采樣。

規則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計算簡(jiǎn)單，便于在線(xiàn)實(shí)時(shí)運算，其中非對稱(chēng)規則采樣法因階數多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線(xiàn)性控制范圍較小。

以上兩種方法均只適用于同步調制方式中。

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展開(kāi)，表示為u（ωt）=ansinnωt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就

 
可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個(gè)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(huì )相當大，而且同樣存在計算復雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調制方式中。

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制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以?xún)刹ǖ慕稽c(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷實(shí)現PWM控制。

由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，其所含的基波分量幅值已超過(guò)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(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(dòng)機這樣的三相無(wú)中線(xiàn)對稱(chēng)負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著(zhù)眼于使線(xiàn)電壓趨于正弦。因此，提出了線(xiàn)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，調制信號便呈現出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調制信號的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過(guò)三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無(wú)中線(xiàn)系統中，由于三次諧波電流無(wú)通路，所以三個(gè)線(xiàn)電壓和線(xiàn)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(huì )影響線(xiàn)電壓。這是因為，經(jīng)過(guò)PWM調制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線(xiàn)電壓時(shí)，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線(xiàn)電壓仍為正弦波。

2.2 單元脈寬調制法[5]

因為，三相對稱(chēng)線(xiàn)電壓有Uuv＋Uvw＋Uwu=0的關(guān)系，所以，某一線(xiàn)電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線(xiàn)電壓負值之和?，F在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區間，每區間60