那么，哪種 PWM 技術最適合您的電機控制應用?當然有很多選擇可供選擇，每一種都具有獨特的優(yōu)點和缺點。在關于該主題的最后一篇文章中，我們將討論直流和交流電機的再生。由于電動和混合動力汽車的普及，這在過去十年中已成為一個更加相關的話題。在這些應用中，再生發(fā)生在直流母線中，最終連接到車輛中的直流電池組。但我們將在這篇文章中看到，我們也可以將其再生回交流電源，例如交流電網(wǎng)。

在本系列的第 4 部分中，我們研究了 4Q 雙極 PWM 技術在直流電機中的應用。我說過，只要 PWM 過程中施加的平均電壓大于電機的反電動勢電壓，并且兩個電壓具有相同的極性，那么系統(tǒng)就會在電動模式下運行。相反，如果施加的平均電壓小于電機的反電動勢電壓，并且極性相同，則系統(tǒng)運行在發(fā)電模式。事實證明，這條規(guī)則不僅適用于雙極 PWM，而且適用于我們研究過的所有四象限 PWM 技術。但如果施加的平均電壓極性相反呢?另外，在什么條件下可以再生最大量的能量?

為了回答這些問題，讓我們看一個具體的例子并將我們的發(fā)現(xiàn)外推到一個通用的解決方案。考慮以下由 H 橋供電的有刷直流電機的情況，該電機連接到堅硬的 24V 電源。電機軸連接到測功機，測功機使電機反向旋轉(zhuǎn)(負反電動勢)。

在 t = 0 時，電機的反電動勢電壓為 -24 伏，PWM 占空比為 -1(Q2 和 Q3 在 100% 的時間內(nèi)開啟)?，F(xiàn)在，讓我們慢慢地將 PWM 值從 -1 掃描到 +1(Q1 和 Q4 在 100% 的時間內(nèi)開啟)。已創(chuàng)建此場景的 Spice 仿真，所得平均應用電機電壓以及總線功率如下圖所示。您可以單擊此處的鏈接自行下載并運行 Spice 仿真。

我們可以收集到一些有趣的觀察結果：

1. 由于反電動勢電壓為 -24V，從 -1 到 0 的整個 PWM 范圍將產(chǎn)生一個應用的平均電機電壓，其幅度較小且與反電動勢電壓具有相同的極性。因此，從 -1 到 0 的 PWM 值會導致再生。

2. 當施加的平均電機電壓為-12V 時，發(fā)生最多的能量再生。事實上，當施加的平均電機電壓等于反電動勢電壓的一半時，總是會出現(xiàn)最大功率再生點! 如果您不相信我，請嘗試在模擬中更改測功機速度并親眼看看!

3. 當 PWM 值達到 0(占空比為 50% 的雙極電機電壓)時，總線功率也變?yōu)榱?，盡管電機電流繼續(xù)增加。動能不是被送回直流母線，而是消耗在電機繞組和電源開關中。

4. 從 0 到 +1 的 PWM 值創(chuàng)建一個與反電動勢電壓相比具有相反極性的平均施加電壓。因此，再生不可能發(fā)生。取而代之的是進入“堵塞”區(qū)域，在那里動能再次耗散在電機繞組和電源開關中。但在堵塞區(qū)域，母線電壓現(xiàn)在與反電動勢電壓串聯(lián)，以增加電機電流。如果任其發(fā)展，電流可能達到潛在的危險水平。

無論您選擇哪種四象限 PWM 技術，所有這些觀察結果都可以總結在下圖中?？梢钥闯?，通過簡單地控制相對于直流電機的反電動勢電壓的平均施加電壓來控制能量流。(在這一點上，我應該提醒你，決定是否發(fā)生再生的實際上是平均母線電流。但是，施加的平均電壓與反電動勢電壓之間的關系，以及所使用的 PWM 技術的類型, 建立將導致正或負母線電流的穩(wěn)態(tài)條件。)

上圖適用于直流電機。但您可能會問，“交流電機呢?這里也有類似的關系嗎?” 好吧，我很高興你問了。 :-) 簡單的答案是“是”。然而，反電動勢信號是正弦波，即使在穩(wěn)態(tài)條件下也會改變極性，因此上圖不適用于交流電機。相反，我們必須關注EMF 電壓相量和電流相量之間的角度關系。對應于交流電機軸功率的每相電功率為：

其中： EMF m和 I m分別是正弦反電動勢和電流波形的峰值幅度。

q 對應于 EMF 和電流相量之間的角度。

從這個等式中，我們可以看出，對于給定的電流大小和 EMF 電壓，最大功率傳輸發(fā)生在q等于零或 pi 時。從反電動勢電壓的角度來看，這些條件也會導致單位功率因數(shù)。可以看出，這兩種運行條件也會導致電機上的最大每安培扭矩 (MTPA)。所以我們想把電流相量放在與反電動勢相量相同的軸上。對于q = 0 的情況，功率為正，這意味著功率正在傳輸?shù)诫姍C。當q = pi 時，功率為負，這意味著功率正在從電機傳輸。

交流電機繞組的每相電路顯示在圖的頂部。您可以通過簡單地使電流相量與反電動勢相量同相或 180 度異相來控制您是在電動模式還是發(fā)電模式下運行。為了實現(xiàn)這一點，您需要應用于 H 橋的電壓相量的實部和虛部值可以通過簡單地將每相電路周圍的電壓降相加來計算：

為了進一步探索這個概念，創(chuàng)建了一個 Spice 模型，該模型由連接到 H 橋并由雙極 PWM 驅(qū)動的單相交流電機創(chuàng)建。您可以在此處下載模擬。

例如，我們假設所需的電流值為正 10 安培(電動模式)。創(chuàng)建與 EMF 相量完全同相的 10A 相量所需的外加電壓波形的實部和虛部分量是通過使用上面顯示的相關源 B2 和 B3 的等式計算的。生成的正弦波形以代數(shù)方式相加，然后按總線電壓縮放以實現(xiàn) +/-1 的調(diào)制范圍。下圖顯示電流波形確實與 EMF 完全同相，平均母線電流為正。

現(xiàn)在讓我們將所需電流更改為負 10 安培(發(fā)電模式)并重新運行模擬。生成的波形再次顯示如下。在這種情況下，電流波形與 EMF 波形異相 180 度，平均母線電流現(xiàn)在為負。

您可能已經(jīng)注意到我為電機的反電動勢電壓選擇的有趣值。170V恰好是美國住宅交流電壓的峰值。請記住，每臺電動機都是一臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機都是一臺電動機。因此，如果您通過串聯(lián)電感將墻上插座連接到 H 橋的輸出端，您可以將電網(wǎng)想象成一個以非常恒定的速度運行的非常大的電機。通過了解電感器的值及其寄生電阻，您可以同步到電網(wǎng)并計算需要調(diào)制到 H 橋上的波形，以控制流入或流出電網(wǎng)的功率。在許多情況下，該直流總線連接到后端控制電機的另一個逆變器。通過監(jiān)測直流總線的電壓電平并將其與所需值進行比較，您可以調(diào)整 H 橋上的調(diào)制，以從電網(wǎng)中提升母線電壓(電機正在運轉(zhuǎn))，或者通過將多余的能量返回交流電網(wǎng)(電機正在發(fā)電)來降低母線電壓。如上所述，通過將電流相量與電網(wǎng)電壓對齊，您可以獲得近乎完美的效果單位功率因數(shù)，無論能量流向哪個方向!很整潔吧?

此時您可能會問，是否可以通過使用三相逆變器而不是 H 橋?qū)⑸鲜龉β士刂萍夹g擴展到三相系統(tǒng)。答案是響亮的“是!” 事實上，你有兩個選項可以用來完成這個，我已經(jīng)看到使用這兩種技術構建的系統(tǒng)：

1. 第一種選擇是簡單地將上面討論的技術外推到三個獨立的控制問題。也就是說，在電網(wǎng)各相和逆變器各相之間串接一個電感，如上所述獨立控制逆變器中的各個半橋。這種技術的優(yōu)點是可以在三相系統(tǒng)上工作，即使它們是不平衡的，因為每個相的計算都是獨立處理的。

2. 將所有三相視為單個控制問題，并使用磁場定向控制 (FOC) 技術將交流電網(wǎng)電流空間矢量與交流電網(wǎng)電壓空間矢量對齊在同一軸上。這種方法的優(yōu)點是簡單，因為它只需要一種控制算法，而且它重用了 FOC 的公共庫調(diào)用的相同例程。

已經(jīng)為單相和三相系統(tǒng)建立了四象限控制仿真模型，并將在稍后的文章中介紹。三相仿真使用上述第二種方法，因此在介紹此解決方案之前涵蓋 FOC 是有意義的。

很抱歉這篇冗長的文章，但我想沖刺一下終點線，以防止它溢出到“第 8 部分”!不管您是否相信，我們?nèi)匀粵]有涵蓋所有 PWM 調(diào)制技術。例如，我們沒有談論不連續(xù)PWM，其名稱源于電機電流可以在低調(diào)制指數(shù)的 PWM 周期內(nèi)從導通轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ㄟ@一事實。然而，這不是一種非常流行的技術，因為隨著電機電流在不連續(xù)和連續(xù)模式之間轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)動力學可能會突然改變。此外，我們只是略微觸及了空間矢量調(diào)制的皮毛，它正迅速成為交流電機最流行的調(diào)制技術。然而，這種技術非常普遍，我認為它值得在未來的文章系列中進行特殊處理。但希望我們涵蓋了足夠多的 PWM 技術，可以為您的下一個電機控制設計提供大量可供選擇的解決方案。

請記住，我們在本系列中討論的所有技術都可以通過我們的 C2000 嵌入式處理器上的 PWM 模塊實現(xiàn)。在許多情況下，我們創(chuàng)建了應用說明和參考設計，可以幫助您設置 PWM 模塊以完成特定類型的調(diào)制。