脉冲宽度调制

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1、脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM),是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输岀来对模拟电路进行控制的一种非常有效 的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。目录1简介2背景介绍3基本原理4谐波频谱5具体过程6优点7控制方法8应用领域 9具体应用1简介脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实 现开关稳压电源输岀的改变。这种方式能使电源的输岀电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技

2、 术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而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。由于当今科学技术的发展 已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。2背景介绍随着电子技术的发展，岀现了多种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，而在镍氢电池智能 充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，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。可以通过调整

3、PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输岀电压并不精确地等于9V,而是随时间发生 变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先 确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电 阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，

4、使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输岀与输入 成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问 题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。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。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。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了 PWM控制器，这使数字控制的实 现变得更加容易了。3基本原理脉宽调制（PWM）基

5、本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输岀端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所 需要的波形。也就是在输岀波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输岀平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽 度进行调制，即可改变逆变电路输岀电压的大小，也可改变输岀频率。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于n/n，但幅值不等，且脉冲 顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相 应正弦

6、等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看岀，各脉冲宽度是按正弦规律变 化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输岀正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交一直一交变频器中, 整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输岀的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给岀了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算岀来。按照计算结果控制

7、电路中 各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。下图为变频器输岀的PWM波的实时波形。点11诋叩.：M : K 川圍|c-1W-审ih inH- 1crn |- | Ms咖1PWM实际波形图（2张）4谐波频谱假设SPWM波的载波频率为fc,基波频率为fs, fc/fs称为载波比N,对于三相变频器，当N为3的整数倍时，输岀不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近，即谐波次数为：kfcmfs，k和m为整数。右图是基波频率fs=50Hz，载波频率fc=3kHz,调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。图中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.

8、7%，含量最大的谐波为119次和121次谐波，谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两 倍载波频率附近。PWM测量装置（4张）随着谐波频率的升高，谐波幅值整体呈现下降趋势，按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定，变频电量变送器的带宽应该在载波频率的6倍以上，当载波频率为3kHz时，带宽至少为18kHz，实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器及变频功率分析仪实际的SPWM波，其载波比不一定为整数，此时，为了降低频谱泄露，可适当增加傅里叶窗口长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换（FFT或DFT）。5具体过程脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信

9、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。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。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。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都 可以使用PWM进行编码。多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的P

10、IC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通 时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期2、在PWM控制寄存器中设置接通时间3、设置PWM输岀的方向，这个输岀是一个通用I/O管脚4、启动定时器5、使能PWM控制器如今几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能，若没有（如早期的8051），也可以利用定时器及GPIO 口来实现。更为一般的PWM模块控制流程为（笔 者使用过TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列）：1、使能相关的模块（PWM模块以及对应

11、管脚的GPIO模块）。2、配置PWM模块的功能，具体有： ：设置PWM定时器周期，该参数决定PWM波形的频率。 ：设置PWM定时器比较值，该参数决定PWM波形的占空比。 ：设置死区（deadband），为避免桥臂的直通需要设置死区，一般较高档的单片机都有该功能。 ：设置故障处理情况，一般为故障是封锁输岀，防止过流损坏功率管，故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。 ：设定同步功能，该功能在多桥臂，即多PWM模块协调工作时尤为重要。3、设置相应的中断，编写ISR, 般用于电压电流采样，计算下一个周期的占空比，更改占空比，这部分也会有PI控制的功能。4、使能PWM波形发生。6优点PWM的一个优点是

12、从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足 以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地 延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。7控制方法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

13、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，使输岀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岀电压的大小，也可改变输岀频率.PWM控制的基本原理很早就已经提岀，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 型电力电子器件的岀现和迅速发展，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

14、术获得了空前的发展.到目前为止，已岀现了多种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.等脉宽PWM法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岀频 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，通过改变其周期，达到调频的效果。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

15、.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，但同时也存在输岀电压中除基波外，还包含较大的谐波分量.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.SPWM 法SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，如今使用较广泛的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，其效果基本相同的.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，使其输岀的脉冲电压的面积与所希望输岀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