一、脉宽调制PWM简介

PWM的理论基础为面积等效原理，这个原理简单描述就是冲量相等（信号对时间的积分，即面积）而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同；冲量即窄脉冲的面积，所说的效果基本相同是指环节的输出波形基本相同。如果把各输入波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频略有差异。

图1：PWM的面积等效原理示意图

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。脉冲宽度调制是一种以数字方式控制模拟电路的方式，可以大幅度降低系统的成本和功耗。其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，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。

1、模拟控制方式的不足：

（1）模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节；

（2）高要求的精密模拟电路可能非常庞大、笨重和昂贵；

（3）模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比；

（4）模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小；

脉冲宽度调制（PWM）可以认为是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。被控制电路的电压或电流源，是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。理论上只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码，通常开关调制频率为1kHz到200kHz之间。

2、PWM具有以下特点：

（1）高效性：PWM信号的脉冲宽度可以根据需要进行调整，因此可以有效地控制电路中的功率输出，相比传统的模拟电路具有更高的效率和更低的功耗；

（2）灵活性：PWM信号可以通过改变占空比来实现对电路中电压和电流的精确控制，这种灵活性使得PWM广泛应用于各种应用场景中；

（3）稳定性：PWM信号的脉冲宽度是固定的，因此可以提供更加稳定的输出信号，这对于一些需要高精度控制的应用场景非常重要；

（4）抗干扰：在PWM电路中，噪声只有在强到足以混淆逻辑0和1，也才能对数字信号产生影响，因此电路的抗干扰能力很强；

（5）简单性：相对于其他调制技术而言，PWM具有相对简单的特点。它可以通过简单的数字信号处理器或微控制器实现，是非常实用的技术手段。

PWM技术与传统的采样调制技术相比，具有高效性和低失真的优势。由于脉冲信号的带宽很窄，所以频谱分布较集中，不会出现在其他频段干扰其他信号的情况。此外，PWM技术还可以通过瞬间提供大量功率来满足高功率负载的需要。

二、PWM的主要方法

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点，成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。到目前为止,已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8种方法：

1、相电压控制PWM：包括等脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法和梯形波与三角波比较法。

（1）等脉宽PWM法：它用等宽脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期实现调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，整体电路结构简单，但也存在输出电压包含较大的谐波的问题。

（2）随机PWM：可以改善电机的电磁噪音及谐波造成的振动，其原理是随机改变开关频率，使得电机电磁噪音近似为限带白噪声，即使在IGBT已被广泛应用的今天，随机PWM仍然有其特殊的价值。

（3）SPWM法：SPWM(正弦波脉宽调制)法是一种成熟且应用广泛的PWM法，在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。该方法的实现有以下几种方案：

A, 等面积法，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，其所得的的波形很接近正弦波，但存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点；

B, 硬件调制法：把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号（通常采用等腰三角波）作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。其实现方法简单，但是这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制；

C, 软件生成法：得用软件生成SPWM波形，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法；

D, 低次谐波消去法：该方法只适用于同步调制方式其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，该方法可以很好地消除所指定的低次谐波，但是存在计算复杂的缺点。

（4） 梯形波与三角波比较法：当输出波形尽量接近正弦波时，其直流电压利用率仅为86.6%，为了提高直流电压利用率，可以采用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，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制，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，因此输出波形中含有5次,7次等低次谐波。

图2：典型的逆变电路

2、线电压控制PWM：包括马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法。

（1）马鞍形波与三角波比较法：其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，幅值会明显降低，可以有效提高直流电压利用率。

应用在三相无中线系统中，在合成线电压时各相电压中的这些谐波会互相抵消，从而使线电压仍为正弦波。

（2）单元脉宽调制法：三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系，用三相线电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强。该方法可以抑制较多的低次谐波，可减小开关损耗和加宽线性控制区，可以用微机来控制，适用于异步电动机。

3、电流控制PWM：将希望输出的电流波形作为指令信号，将实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变，主要包括滞环比较法、三角波比较法和预测电流控制法三种。

（1）滞环比较法：一种带反馈的PWM控制方式，使得实际电流跟踪给定电流的变化，具备电路简单、动态性能好、输出电压不含特定频率的谐波分量等优点，但是噪音和电流谐波问题比较严重。

（2）三角波比较法：把指令电流与实际输出电流进行比较求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较产生PWM波，这种方式频率固定，但是电流响应不如滞环比较法快；

（3）预测电流控制法：根据实际电流误差、负载参数及其它负载变量来预测电流误差矢量趋势，在下一个调节周期减小所预测的误差，该方法可获得比较快速,准确的响应。

4、空间电压矢量控制PWM：也叫磁通正弦PWM法，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，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。具体又分为磁通开环式和磁通闭环式，磁通开环法输出电压比正弦波调制时提高15%，磁通闭环式引入磁通反馈，克服了磁通开环法的一些不足，减小了电机的脉动和噪音。

5、矢量控制PWM：矢量控制也称磁场定向控制，其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。但是由于转子磁链难以准确观测以及矢量变换的复杂性，实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。

6、直接转矩控制PWM：它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，优良的动静态性能得到了迅速发展。

7、非线性控制PWM：又称积分复位控制(IRC)，其基本思想是控制开关占空比，同时具有调制和控制的双重性。这种新型非线性控制技术克服了传统的PWM控制方法的不足，具备反应快，开关频率恒定，鲁棒性强等优点，还能优化系统响应，减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。

8、谐振软开关PWM：其基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上附加一个谐振网络，使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，既保持了PWM技术的特点，又实现了软开关技术，不足之处是会带来了谐振损耗。

三、PWM控制器应用领域

PWM技术在众多领域都有着广泛的应用，其中包括电力电子、调光控制、音频处理、通信技术等。PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

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图3：长运通CD50系列PWM控制器替代/选型表

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