【PWM詳解】幾種PWM的控制方式-KIA MOS管

PWM一種模擬控制方式，根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調制(PWM )是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。

通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。

通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同.PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，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。

PWM實際波形圖

按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，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現。

直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術，微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。來看看幾種PWM控制方法。

1、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這樣的三相無中線對稱負載，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。

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，把實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器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。

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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開關形成PWM波形。

此法從電動機的角度出發(fā)，把逆變器和電機看作一個整體，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制使電機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。

4、矢量控制PWM

矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流la，Ib及Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流la1及Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1及It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；

It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿對直流電動機的控制方法，實現對交流電動機的控制其實質是將交流電動機等效為直流電動機分別對速度磁場兩個分量進行獨立控制通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。

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

5、直接轉矩控制PWM

1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque Control 簡稱DTC)。直接轉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矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實際值。

然后，經磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現無速度傳感器化，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，并以新穎的控制思想簡潔明了的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展但直接轉矩控制也存在缺點如逆變器開關頻率的提高有限制。

6、非線性控制PWM

單周控制法又稱積分復位控制(ntegraTIon Reset Control，簡稱IRC)，是一種新型非線性控制技術其基本思想是控制開關占空比，在每個周期使開關變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。

該技術同時具有調制和控制的雙重性，通過復位開關積分器，觸發(fā)電路，比較器達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，也可是其它可轉化為開關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，適用于各種脈寬調制軟開關逆變器，具有反應快，開關頻率恒定，魯棒性強等優(yōu)點此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應，減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

7、諧振軟開關PWM

傳統(tǒng)的PWM逆變電路中，電力電子開關器件硬開關的工作方式，大的開關電壓電流應力以及高的du/dt和di/dt限制了開關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；特別當開關頻率在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PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓撲的基礎上，附加一個諧振網絡。

諧振網絡一般由諧振電感諧振電容和功率開關組成，開關轉換時，諧振網絡工作使電力電子器件在開關點上實現軟開關過程，諧振過程極短，基本不影響PWM技術的實現，從而既保持了PWM技術的特點又實現了軟開關技術。但由于諧振網絡在電路中的存在必然會產生諧振損耗，并使電路受固有問題的影響，從而限制了該方法的應用。

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