脉冲宽度调制(PWM)c;是英文“Pulse Width Modulation”的缩写c;简称脉宽调制c;是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术c;广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
模拟信号的值可以连续变化c;其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件c;因为它的输出电压并不精确地等于9Vc;而是随时间发生变化c;并可取任何实数值。与此类似c;从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内c;例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制c;如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中c;音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时c;电阻值变大或变小;流经这个电阻的电流也随之增加或减少c;从而改变了驱动扬声器的电流值c;使音量相应变大或变小。与收音机一样c;模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单c;但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是c;模拟电路容易随时间漂移c;因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热c;其功耗相对于class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感c;任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路c;可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外c;许多微控制器和color:#136ec2">DSP已经在芯片上包含了PWM控制器c;这使数字控制的实现变得更加容易了。
多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hzc;通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如c;Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器c;每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比;调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前c;这种微处理器要求在软件中完成以下class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作:
1、设置提供调制方波的片上color:#136ec2">定时器/计数器的周期
2、 在PWM控制寄存器中设置接通时间
3、设置PWM输出的方向c;这个输出是一个通用color:#136ec2">I/O管脚
4、启动定时器
5、使能PWM控制器
目前几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能c;若没有(如早期的8051)c;也可以利用定时器及GPIO口来实现。更为一般的PWM模块控制流程为(笔者使用过TI的2000系列c;AVR的Mega系列c;TI的LM系列):
1、使能相关的模块(PWM模块以及对应管脚的GPIO模块)。
2、配置PWM模块的功能c;具体有:
①:设置PWM定时器周期c;该参数决定PWM波形的频率。
②:设置PWM定时器比较值c;该参数决定PWM波形的占空比。
③:设置死区(deadband)c;为避免桥臂的直通需要设置死区c;一般较高档的单片机都有该功能。
④:设置故障处理情况c;一般为故障是封锁输出c;防止过流损坏功率管c;故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。
⑤:设定同步功能c;该功能在多桥臂c;即多PWM模块协调class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作时尤为重要。
3、设置相应的中断c;编写ISRc;一般用于电压电流采样c;计算下一个周期的占空比c;更改占空比c;这部分也会有PI控制的功能。
4、使能PWM波形发生。
color:#136ec2">被控系统信号都是数字形式的c;无需进行color:#136ec2">数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。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c;也才能对数字信号产生影响。
PWM的一个优点是从处理器到对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点c;而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端c;通过适当的color:#136ec2">RC或color:#136ec2">LCclass="tags" href="/tags/WangLuo.html" title=网络>网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之c;PWM既经济、节约空间、抗噪性能强c;是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
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c;其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础c;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c;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c;既可改变逆变电路输出电压的大小c;也可改变输出频率.
PWM控制的基本原理很早就已经提出c;但是受color:#136ec2">电力电子器件发展水平的制约c;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c;随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展c;PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术c;微电子技术和color:#136ec2">自动控制技术的发展以及各种新的理论方法c;如现代控制理论c;color:#136ec2">非线性系统控制思想的应用c;PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止c;已出现了多种PWM控制技术c;根据PWM控制技术的特点c;到目前为止主要有以下8类方法.
color:#136ec2">VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用color:#136ec2">PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的c;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c;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c;通过改变脉冲列的周期可以调频c;改变脉冲的宽度或占空比可以调压c;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c;该方法的优点是简化了电路结构c;提高了输入端的功率因数c;但同时也存在输出电压中除基波外c;还包含较大的color:#136ec2">谐波分量.
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的c;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c;其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础c;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c;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c;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.
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释c;用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波c;然后计算各脉冲的宽度和间隔c;并把这些数据存于微机中c;通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断c;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c;可以准确地计算出各开关器件的通断时刻c;其所得的的波形很接近正弦波c;但其存在计算繁琐c;数据占用内存大c;不能实时控制的缺点.
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的c;其原理就是把所希望的波形作为调制信号c;把接受调制的信号作为载波c;通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波c;当调制信号波为正弦波时c;所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单c;可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路c;用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制c;就可以生成SPWM波.但是c;这种模拟电路结构复杂c;难以实现精确的控制.
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易c;因此c;软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法c;其有两种基本class="tags" href="/tags/SuanFa.html" title=算法>算法c;即自然采样法和规则采样法.
以正弦波为调制波c;等腰三角波为载波进行比较c;在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断c;这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波c;但由于三角波与正弦波交点有任意性c;脉冲中心在一个周期内不等距c;从而脉宽表达式是一个超越方程c;计算繁琐c;难以实时控制.
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法c;一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波c;再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断c;从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时c;由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽c;在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的c;这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时c;由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽c;在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称c;这种方法称为非对称规则采样.
规则采样法是对自然采样法的改进c;其主要优点就是是计算简单c;便于在线实时运算c;其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低c;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color:#136ec2">谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开c;表示为u(ωt)=ansinnωtc;首先确定基波分量a1的值c;再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程c;联立求解得a1,a2及a3c;这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波c;但是c;剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大c;而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的c;从而忽视了直流电压的利用率c;如SPWM法c;其直流电压利用率仅为86.6%.因此c;为了提高直流电压利用率c;提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号c;三角波为载波c;且使两波幅值相等c;以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时c;其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值c;从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波c;所以输出波形中含有5次c;7次等低次谐波.
马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)c;其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波c;调制信号便呈现出马鞍形c;而且幅值明显降低c;于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下c;可以使基波幅值超过三角波幅值c;提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中c;由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].
除了可以注入三次谐波以外c;还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形c;这些信号都不会影响线
电压.这是因为c;经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波c;但在合成线电压时c;各相电压中的这些谐波将互相抵消c;从而使线电压仍为正弦波.
因为c;三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系c;所以c;某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间c;每区间60°c;对于某一线电压例如Uuvc;半个周期两边60°区间用Uuv本身表示c;中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示c;当将Uvw和Uwu作同样处理时c;就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间的两种波形形状c;并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号c;载波仍用三角波c;并把各区间的color:#136ec2">曲线用直线近似(实践表明c;这样做引起的误差不大c;完全可行)c;就可以得到线电压的脉冲波形c;该波形是完全对称c;且规律性很强c;负半周是正半周相应脉冲列的反相c;因此c;只要半个周期两边60°区间的脉冲列一经确定c;线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号c;但由于已知三相线电压的脉冲class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作模式c;就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了.
该方法不仅能抑制较多的低次谐波c;还可减小开关损耗和加宽线性控制区c;同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机c;应用范围较小.
电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号c;把实际的电流波形作为反馈信号c;通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断c;使实际输出随指令信号的改变而改变.其实现方案主要有以下3种.
这是一种带反馈的PWM控制方式c;即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器c;得出相应桥臂开关器件的开关状态c;使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单c;动态性能好c;输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音c;和其他方法相比c;在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多.
该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同c;这里是把指令电流与实际输出电流进行比较c;求出偏差电流c;通过放大器放大后再和三角波进行比较c;产生PWM波.此时开关频率一定c;因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点.但是c;这种方式电流响应不如滞环比较法快.
预测电流控制是在每个调节周期开始时c;根据实际电流误差c;负载参数及其它负载变量c;来预测电流误差矢量趋势c;因此c;下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差.该方法的优点是c;若给调节器除误差外更多的信息c;则可获得比较快速c;准确的响应.目前c;这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性.
空间电压矢量控制PWM(color:#136ec2">SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整体生成效果为前提c;以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的c;用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通c;由它们的比较结果决定逆变器的开关c;形成PWM波形.此法从电动机的角度出发c;把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制c;使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通).
具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式.磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量c;若采样时间足够小c;可合成任意电压矢量.此法输出电压比正弦波调制时提高15%c;谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引
入磁通反馈c;控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后c;根据误差决定产生下一个电压矢量c;形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足c;解决了电机低速时c;定子电阻影响大的问题c;减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节c;系统性能没有得到根本性的改善.
color:#136ec2">矢量控制也称磁场定向控制c;其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia,Ib及Icc;通过三相/二相变换c;等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1c;再通过按转子磁场定向旋转变换c;等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流)c;然后模仿对直流电动机的控制方法c;实现对交流电动机的控制.其实质是将交流电动机等效为直流电动机c;分别对速度c;磁场两个分量进行独立控制.通过控制转子磁链c;然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量c;经坐标变换c;实现正交或解耦控制.
但是c;由于转子磁链难以准确观测c;以及矢量变换的复杂性c;使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果c;这是矢量控制技术在实践上的不足.此外.它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制c;在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器c;这显然给许多应用场合带来不便.
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC).直接转矩控制与矢量控制不同c;它不是通过控制电流c;磁链等量来间接控制转矩c;而是把转矩直接作为被控量来控制c;它也不需要解耦电机模型c;而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值c;然后c;经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制c;从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足c;能方便地实现color:#136ec2">无速度传感器化c;有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度c;并以新颖的控制思想c;简洁明了的系统结构c;优良的动静态性能得到了迅速发展.
但color:#136ec2">直接转矩控制也存在缺点c;如逆变器开关频率的提高有限制.
单周控制法[7]又称积分复位控制(Integration Reset Control,简称color:#136ec2">IRC)c;是一种新型非线性控制技术c;其基本思想是控制开关占空比c;在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例.该技术同时具有调制和控制的双重性c;通过复位开关c;积分器c;触发电路c;比较器达到跟踪指令信号的目的.单周控制器由控制器c;比较器c;积分器及时钟组成c;其中控制器可以是RS触发器c;其控制原理如图1所示.图中K可以是任何物理开关c;也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号.
单周控制在控制电路中不需要误差综合c;它能在一个周期内自动消除稳态c;瞬态误差c;使前一周期的误差不会带到下一周期.虽然硬件电路较复杂c;但其克服了传统的PWM控制方法的不足c;适用于各种脉宽调制软开关逆变器c;具有反应快c;开关频率恒定c;鲁棒性强等优点c;此外c;单周控制还能class="tags" href="/tags/YouHua.html" title=优化>优化系统响应c;减小畸变和抑制电源干扰c;是一种很有前途的控制方法.
传统的PWM逆变电路中c;电力电子开关器件硬开关的class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作方式c;大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作频率的提高c;而高频化是电力电子主要发展趋势之一c;它能使变换器体积减小c;重量减轻c;成本下降c;性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时c;噪声将已超过人类听觉范围c;使无噪声传动系统成为可能.
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上c;附加一个谐振class="tags" href="/tags/WangLuo.html" title=网络>网络c;谐振class="tags" href="/tags/WangLuo.html" title=网络>网络一般由谐振电感c;谐振电容和功率开关组成.开关转换时c;谐振class="tags" href="/tags/WangLuo.html" title=网络>网络class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程c;谐振过程极短c;基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM技术的特点c;又实现了软开关技术.但由于谐振class="tags" href="/tags/WangLuo.html" title=网络>网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗c;并使电路受固有问题的影响c;从而限制了该方法的应用。
PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业c;具体讲c;包括风力发电、电机调速、直流供电等领域c;由于其四象限变流的特点c;可以反馈再生制动的能量c;对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的c;除了PWM型c;还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下c;通过电压反馈调整其占空比c;从而达到稳定输出电压的目的。
该方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口c;在不改变PWM方波周期的前提下c;通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比c;从而控制充电电流。该方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件c;另外ADC的位数尽量高c;单片机的class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作速度尽量快。在调整充电电流前c;单片机先快速读取充电电流的大小c;然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较c;若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源class="tags" href="/tags/GongZuo.html" title=工作>工作电压等引入的纹波干扰c;合理采用算术平均法等数字滤波技术。
1962年c;Nicklas等提出了脉冲调制理论c;指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案c;同时能使时间或能量达到最优控制。
脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内c;通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量c;从而改变总的推力效果c;对于质量流率不变的系统c;可以通过color:#136ec2">脉宽调制技术来获得变推力的效果。
脉宽调制通常有两种方法[15]:第一种为整体脉宽调制c;对控制对象进行控制器设计c;并根据控制要求的作用力大小c;对整个color:#136ec2">系统模型进行动态的数学解算变换c;得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间;第二种为脉宽调制器c;不考虑控制对象模型c;而是根据输入进行“动态衰减”性的累加c;然后经过某种class="tags" href="/tags/SuanFa.html" title=算法>算法变换后c;决定输出所持续的时间。这种方式非常简单c;也能达到输出作用近似相同。
脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟c;color:#136ec2">俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度color:#136ec2">稳定系统控制中。但是当调制量为零时c;正反向的控制作用相互抵消c;控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后c;其开关的频率必须远大于color:#136ec2">KKV本身的固有频率c;否则不但起不到调制效果c;甚至会发生灾难性后果。