說明PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

說明PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(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）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)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(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。

多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：

*設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期

*在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間

*設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳

*啟動(dòng)定時(shí)器

*使能PWM控制器

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。

幾種PWM控制方法

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(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(VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation)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(gè)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(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(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(shí)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(dòng)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(jià)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(gè)分析,解決這種問題的全新思路.

1.3SPWM法

SPWM(SinusoidalPWM)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(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.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(shí)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(shí)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(shí),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(shí)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(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)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(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),然后模仿對直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,實(shí)現(xiàn)對交流電動(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),分別對速度,磁場兩個(gè)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(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,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(DirectTorqueControl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(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(IntegrationResetControl,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(gè)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(shí)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(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(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(shí),噪聲將已超過人類聽覺范圍,使無噪聲傳動(dòng)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(gè)諧振網(wǎng)絡(luò),諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感,諧振電容

和功率開關(guān)組成.開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí),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(huì)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