各种pwm控制方法的原理及优缺点

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1、 引言 采样控制理论中有一个重要结论：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。PWM 控制技术就是以 该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替 正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世 纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技

2、术和自动控制 技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。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 类方法。 1 相电压控制 PWM 1.1 等脉宽 PWM 法1 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部 分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽 PWM 法正是为了克服 PAM 法的这个缺点发展而来的，是 PWM 法中

3、最为简单的一 种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用 适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于 PAM 法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在 输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 1.2 随机 PWM 在上世纪 70 年代开始至上世纪 80 年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过 5kHz，电机绕 组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机 PWM 方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪 音近似为限带白

4、噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音 强度大大削弱。正因为如此，即使在 IGBT 已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机 PWM 仍然有其特殊的 价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机 PWM 技术正是提供了一个分析、解决这种问 题的全新思路。 1.3 SPWM 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的 PWM 法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：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

5、。SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而 和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断， 使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区 间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 1.3.1 等面积法 该方案实际上就是 SPWM 法原理的直接阐释，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，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成 PWM 信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以 SPWM 控制 的基本原理为出发点

6、，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大， 不能实时控制的缺点。 1.3.2 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波， 通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是 SPWM 波形。其 实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进 行控制，就可以生成 SPWM 波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。

7、1.3.3 软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成 SPWM 波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实 现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。 1.3.3.1 自然采样法2 以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是 所得 SPWM 波形最接近正弦波， 但由于三角波与正弦波交点有任意性， 脉冲中心在一个周期内不等距， 从而脉宽表达式是一个超越方程， 计算繁琐，难以实时控制。 1.3.3.2 规则采样法3 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为

8、载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以 阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现 SPWM 法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯 波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又 在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对 称，这种方法称为非对称规则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正 弦。其缺点是直流

9、电压利用率较低，线性控制范围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。 1.3.4 低次谐波消去法2 低次谐波消去法是以消去 PWM 波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为 u(t)=ansinnt，首先确定基波分量 a1 的值，再令两个不同的 an=0，就可以建立三个方程，联立求解得 a1，a2 及 a3，这样就可以消 去两个频率的谐波。 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺 点。该方法同样只适用于同步调制方式中。 1.4 梯形波与三角波比较法2 前面所介绍的各种方法

10、主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如 SPWM 法，其直流电压利用率 仅为 86.6%。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法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。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，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，所以输出波形中含有 5 次、7 次等低次谐波。 2 线电压控制 PWM 前面所介绍的各种 PWM 控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压

11、分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对 于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了 线电压控制 PWM，主要有以下两种方法。 2.1 马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入 PWM 方式(HIPWM)，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，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用 率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波4。 除了可以注入三次谐波以

12、外，还可以注入其他 3 倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过 PWM 调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的 3 倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消， 从而使线电压仍为正弦波。 2.2 单元脉宽调制法5 因为，三相对称线电压有 Uuv+Uvw+Uwu=0 的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期 等分为 6 个区间，每区间 60 ，对于某一线电压例如 Uuv，半个周期两边 60 区间用 Uuv 本身表示，中间 60 区间用-(Uvw+Uwu)表示， 当将 Uvw 和 Uwu 作同样处理

13、时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边 60 区间的两种波形形状，并且有正有负。把这样的电压波 形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似(实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行)，就可以得 到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边 60 区间的脉冲 列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压的脉冲工作模 式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制

14、的方便，但该方法只适用于异 步电动机，应用范围较小。 3 电流控制 PWM 电流控制 PWM 的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把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。其实现方案主要有以下 3 种。 3.1 滞环比较法4 这是一种带反馈的 PWM 控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使得实 际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造 成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电

15、流中所含的谐波较多。 3.2 三角波比较法2 该方法与 SPWM 法中的三角波比较方式不同，这里是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。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比 较法快。 3.3 预测电流控制法6 预测电流控制是在每个调节周期开始时，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，因此，下一个 调节周期由 PWM 产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准 确的响应。目前，这类调节器的局限

16、性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。 4 空间电压矢量控制 PWM7 空间电压矢量控制 PWM(SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁 场轨迹为目的，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。 此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦 磁通)。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小， 可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高 15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的 大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成 PWM 波形。这种方法克服了磁通开环法 的不足，解决了电机低速