目前，高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)的研究和開發(fā)引起各國學(xué)者的高度重視，并得到越來越深入的研究。而所選用微處理器、功率器件及產(chǎn)生PWM波的方法是影響交流調(diào)整系統(tǒng)性能好壞的直接因素。筆者研究了一種以8098單片機為控制器、以智能功率模塊IPM為開關(guān)器件的變頻調(diào)速系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響：其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。

正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)

SPWM控制技術(shù)原理

由于PWM變換器具有功率因數(shù)高、可同時實現(xiàn)變頻變壓及抵制諧波的特點，因此在交流傳動及其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。最常用的PWM技術(shù)為正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，即SPWM控制技術(shù)。

SPWM控制技術(shù)原理，以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的三角波作為載波，并用頻率和期望相同的正弦波作為調(diào)制波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。

PWM(Pulse Width Modulation)控制技術(shù)就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。面積等效原理是PWM技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。一種典型的PWM控制波形SPWM：脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。而和正弦波等效的PWM波形稱為SPWM波。脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)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)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 [1]PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特點是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾(EMD)源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號會變得更加強烈和復(fù)雜。

PWM控制(脈沖寬度調(diào)制)的基本原理

控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少，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。

脈沖寬度調(diào)制的簡介

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，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，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，脈沖寬度調(diào)制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)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制的發(fā)展背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，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，可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

脈沖寬度調(diào)制的特點

PWM的特點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，噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?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。

控制方法

等脈寬PWM法

等脈寬PWM法是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，通過改變其周期，達(dá)到調(diào)頻的效果，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。

隨機PWM

在20世紀(jì)70年代開始至20世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時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，電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注，為求得改善，隨機PWM方法應(yīng)運而生。

SPWM法

SPWM法是一種比較成熟的，如今使用較廣泛的PWM法，前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(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，其效果基本相同的。

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(jìn)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(fù)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。

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(guān)器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。

應(yīng)用領(lǐng)域

電信

在電信使用上，脈沖寬度調(diào)制是一種信號調(diào)制的形式，其脈沖波的寬度對應(yīng)到另一個特定資料會在傳送端被編碼，并于接收端解碼，不同長度的脈沖波將會每隔固定的時間后被傳遞。

能量的傳遞

脈沖寬度調(diào)制可以被用來控制對于一個載流子能量傳遞的多寡，而不會產(chǎn)生由阻抗所造成的線性能量傳遞損失，此方法所需要付出的代價是，載流子所流失的能量并非一個常數(shù)且是不連續(xù)的，載流子上傳遞的能量也不是連續(xù)的。

PWM控制的工作方式主要包括以下兩種：

恒頻調(diào)寬法：這種方法保持PWM信號的頻率不變，通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的大小。這種方式簡單易行，適用于對輸出電壓或電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。

調(diào)頻調(diào)寬法：這種方法同時改變PWM信號的頻率和占空比，以實現(xiàn)更精確的控制。在需要快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)的場合，調(diào)頻調(diào)寬法具有更好的性能。

PWM控制的應(yīng)用領(lǐng)域

PWM控制技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：

電機控制：PWM控制技術(shù)可以用于電機的速度控制、位置控制以及力矩控制等。通過對電機驅(qū)動電路進(jìn)行PWM控制，可以實現(xiàn)對電機的精確控制，提高電機的運行效率和性能。

電源變換器：PWM控制技術(shù)可以用于電源變換器的設(shè)計中，實現(xiàn)對輸出電壓和電流的精確控制。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備中，如UPS電源、開關(guān)電源等。

照明控制：在LED照明系統(tǒng)中，PWM控制技術(shù)可以用于調(diào)節(jié)LED的亮度。通過改變PWM信號的占空比，可以實現(xiàn)對LED亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同場合的照明需求。

音頻處理：在音頻放大器中，PWM控制技術(shù)可以用于提高音頻信號的保真度和動態(tài)范圍。通過對音頻信號進(jìn)行PWM調(diào)制和解調(diào)處理，可以消除音頻信號中的噪聲和失真，提高音質(zhì)。

四、PWM控制的主要優(yōu)勢

PWM控制技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

精確控制：PWM控制技術(shù)可以通過改變占空比實現(xiàn)對輸出電壓或電流的精確控制，具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性。

高效節(jié)能：PWM控制技術(shù)可以實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，減少能量損耗和浪費。在電機控制、電源變換器等領(lǐng)域中，PWM控制技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的運行效率和節(jié)能性能。

抗干擾性強：PWM控制技術(shù)采用數(shù)字信號進(jìn)行控制，具有較強的抗干擾能力。在噪聲干擾較大的環(huán)境中，PWM控制技術(shù)可以保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

易于實現(xiàn)：PWM控制技術(shù)可以通過微控制器等數(shù)字設(shè)備實現(xiàn)，具有易于實現(xiàn)和靈活配置的優(yōu)點。這使得PWM控制技術(shù)在各種電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。SPWM正弦脈寬調(diào)制法是采用調(diào)制波為正弦波、載波為三角波的一種脈寬調(diào)制方法，可廣泛應(yīng)用于逆變器電源上。SPWM的輸出波形控制算法有面積等效法、自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法等，本文采用脈寬調(diào)制波的面積等效法來實現(xiàn)SPWM控制。圖3所示是其SPWM波形圖，該方法將半個周期的正弦波波形分成N等分，從而把該正弦波看成是由N個彼此相連的脈沖所組成，這些脈沖寬度相等(都等于π/N)，幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果能把這種脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，并使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合。且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦部分的面積脈沖量相等，那么，就可以得到相應(yīng)的脈沖序列。這樣，再使各脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，同時使矩形波與正弦波等效，就可以實現(xiàn)SPWM正弦脈寬調(diào)制。