PWM控制技術(shù)基本原理及過(guò)程

脈寬調(diào)制 ，PWM（Pulse Width Modulation），通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè)，具體講包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域。在其諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，在這我們只講電動(dòng)汽車中的PWM應(yīng)用。

電動(dòng)汽車上的電源是蓄電池，蓄電池為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電能，電機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置，此時(shí)的電機(jī)稱為“電動(dòng)機(jī)”。蓄電池是直流電，需要將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡孀冸娐罚妱?dòng)汽車中的逆變屬于無(wú)源逆變），這一過(guò)程中幾乎都是采用PWM技術(shù)。PWM 逆變電路分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM 逆變電路幾乎都是電壓型電路。

電機(jī)除了擔(dān)任動(dòng)力傳遞的角色之外，還能夠?yàn)殡姵剡M(jìn)行反向充電，此時(shí)電機(jī)被稱為“發(fā)電機(jī)”。在電動(dòng)車減速時(shí)，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)則是通過(guò)電機(jī)將電能傳回給電池。將直流轉(zhuǎn)換為交流的電路稱為逆變電路，將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路稱為整流電路。將電能反哺給電池的過(guò)程則需要用到整流電路。電機(jī)通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)交/直流的互換，如下圖所示。

1. PWM概念

在這以直流斬波器說(shuō)明PWM概念，電機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形如下圖所示。當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞電流經(jīng)續(xù)流二極管VD續(xù)流，電機(jī)兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如右圖所示，好像是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接通，又在T-ton時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q為“斬波”。

電機(jī)得到的平均電壓為

式中：T，開關(guān)周期

f，開關(guān)頻率，等于1/T

ton，導(dǎo)通時(shí)間

ρ，占空比，ρ=ton/T=fton

根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，可以劃分三種控制方式：

T不變，變ton： 脈沖寬度調(diào)制 （PWM）；

ton不變，變T： 脈沖頻率調(diào)制 （PFM）；

T和ton都可調(diào)： 混合型 。

以上三種控制技術(shù)，數(shù)PWM 控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，最具有代表性，應(yīng)用的逆變電路絕大部分都是PWM 型，除了功率很大的逆變裝置外。PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。

像在AC電機(jī)控制器中，通過(guò)PWM控制開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速，由于PWM有著其他技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如：調(diào)速范圍寬、快速性好、波形系數(shù)好、功率因數(shù)好等，因而，得到了廣泛的應(yīng)用。

2. PWM控制技術(shù)基本思想

我國(guó)交流電的頻率是50Hz，因此，交流電的波形是正弦波。那么，PWM控制技術(shù)的目標(biāo)就是用什么樣的信號(hào)或波形來(lái)代替這個(gè)正弦波交流電。這個(gè)信號(hào)可以是形狀不同的各種窄脈沖，如方波、三角波等。而在我們今天要講的電動(dòng)汽車中采用的是等幅但不等寬的脈沖來(lái)代替這個(gè)正弦波。

在這以半個(gè)正弦波為例進(jìn)行說(shuō)明，將正弦半波進(jìn)行N等分，可以看成是N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等，如下圖a）所示。然后用矩形脈沖代替這N個(gè)寬度相等，幅值不等的脈沖，而矩形脈沖是等幅，不等寬的脈沖，如下圖b)所示。并且這個(gè)脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。而這一系列等幅不等寬的脈沖，我們稱之為PWM波。

用PWM波形代替這個(gè)正弦半波的過(guò)程如下圖所示。首先將正弦半波等分，每個(gè)等分的脈沖寬度是相同的，但幅值不同，然后使用一系列PWM波，即等幅但不等寬的脈沖來(lái)代替這個(gè)正弦半波。每個(gè)等幅不等寬的脈沖與等寬脈沖的面積（沖量）相等，中點(diǎn)重合。PWM波的寬度按正弦規(guī)律變化，若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。最后，這個(gè)PWM波等效為正弦交流電。

對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采取相同的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個(gè)完整的周期的等效PWM波形如下圖所示。

根據(jù)面積等效原理，正弦波還可以等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為常見(jiàn)。

3. PWM控制過(guò)程

PWM控制技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，即PWM波，用PWM波來(lái)代替正弦交流電壓。按一定的規(guī)則對(duì)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。如下圖所示，當(dāng)改變脈沖的周期（開關(guān)頻率）時(shí)，起到了改變輸出頻率的作用。

上圖是以單相電壓型逆變電路為例進(jìn)行說(shuō)明的，因?yàn)橹绷麟娫碪d的矩形波U0展開成傅立葉級(jí)數(shù)為

所以，圖中的頻率為開關(guān)頻率的1，3，5倍。開關(guān)周期越短，頻率越高。開關(guān)頻率及它的倍頻對(duì)應(yīng)瀑布圖中傘狀階次中的中心頻率，如下圖所示。

對(duì)于PWM而言，由于脈沖的寬度是不變的，因此，下圖中相鄰兩條藍(lán)色虛線對(duì)應(yīng)的時(shí)間是不變的，調(diào)制的是中間綠色虛線的時(shí)間，也就是脈沖寬度，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制脈沖寬度。對(duì)信號(hào)1進(jìn)行調(diào)制，按某個(gè)規(guī)律進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而獲得信號(hào)2，信號(hào)1與信號(hào)2的原始頻率是相同的（因?yàn)殚_關(guān)周期沒(méi)有變化），只是脈沖寬度不同。如果開關(guān)周期時(shí)刻發(fā)生變化，則對(duì)應(yīng)的調(diào)制稱為脈沖頻率調(diào)制。

將脈沖寬度按正弦規(guī)律變化進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制成想要的正弦波，若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

在進(jìn)行PWM控制時(shí)，脈沖信號(hào)通過(guò)電機(jī)的慣性進(jìn)行平滑。理想的交流電壓應(yīng)是正弦波，如下圖中的正弦參考（圖中紅線表示），但實(shí)際電壓（圖中綠線表示）是存在波動(dòng)區(qū)間（圖中兩虛線表示的區(qū)間），這個(gè)波動(dòng)區(qū)間也稱為遲滯帶。正是因?yàn)檫t滯帶的存在，當(dāng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT分析時(shí)，才使得瀑布圖中出現(xiàn)了傘狀的階次線（關(guān)于這一點(diǎn)，后續(xù)將有詳細(xì)介紹）。

4. AC轉(zhuǎn)換到DC

以上介紹的DC轉(zhuǎn)換到AC的控制過(guò)程。將直流轉(zhuǎn)換為交流的電路稱為逆變電路，PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用廣泛。將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路稱為整流電路，同樣，PWM控制技術(shù)也可應(yīng)用于整流電路，可以看成逆變電路中的PWM技術(shù)向整流電路的延伸，這一小節(jié)主要講述整流過(guò)程中的應(yīng)用。

由于交流電不同的國(guó)家采用的標(biāo)準(zhǔn)是不相同的，像USA交流電是110V，60Hz，而我國(guó)采用的是220V，50Hz。對(duì)于一個(gè)正弦的交流電來(lái)說(shuō)，不進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換，其直流電壓為0。

當(dāng)對(duì)單相交流電進(jìn)行整流時(shí)，又分為半波整流和全波整流。半波整流是指對(duì)半個(gè)正弦波進(jìn)行整流，整流后的直流電壓為交流電峰值/л，直流電壓如下圖中虛線所示。

全波整流是指對(duì)交流電整個(gè)正弦波進(jìn)行整流，包括負(fù)半部分，整流后的直流電壓為交流電峰值/л的2倍，直流電壓如下圖中虛線所示。相比于半波整流，全波整流獲得的直流電壓幅值提高一倍。

三相交流電也分半波整流和全波整流。三相交流電中每相相差為120度，如下圖所示，此時(shí)的直流電壓為0。

當(dāng)對(duì)三相交流電進(jìn)行半波整流時(shí)，整流后的直流電壓如圖中黑色曲線如示。

將直流電壓曲線單獨(dú)拿出來(lái)，如下圖所示。

倘若各相都正常工作，由于我國(guó)交流電的頻率為50Hz，因此，信號(hào)中的頻率成分應(yīng)為主線頻率（50Hz）和3倍的主線頻率（150Hz），如下圖所示。

若是對(duì)三相交流電采用全波整流，則整流后的波形如下圖所示，由于三相中每相相差120度，而全波整流時(shí)，將負(fù)部分反向，因此，此時(shí)各相相差60度，如下圖所示。

整流后得到的直流電壓如下圖中黑色曲線所示，虛線為直流電壓幅值。

從下圖可以看出，全波整流后的直流電壓更平直，與半波整流相比，直流電壓波動(dòng)更小，更趨向于直流電。

此時(shí)信號(hào)中的頻率成分為主線頻率（50Hz）和6倍的主線頻率（300Hz），如下圖所示。

如果全波整流中有某一相交流電出現(xiàn)問(wèn)題，也就是說(shuō)控制器控制過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，則在整流中會(huì)導(dǎo)致某相交流電丟失，如下圖所示。與上面的全波整流正常的情況相比，可以看出，綠色相交流電的后半個(gè)正弦波丟失了，則整流后的直流電壓曲線在這部分有明顯的下降，見(jiàn)下圖中黑色曲線。

正常的信號(hào)頻率應(yīng)該是主線頻率和6倍的線頻率，如果控制器出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致某相交流電丟失，則信號(hào)頻率將出現(xiàn)其他倍頻。如果在三相全波整流中出現(xiàn)高的2，3，4和5倍線頻率，則表明整流電路出現(xiàn)了問(wèn)題，如下圖所示。這些倍頻都是問(wèn)題頻率。

對(duì)于正常的整流電路，信號(hào)的正常頻率應(yīng)如下表所示。若有大的其他頻率成分出現(xiàn)，則說(shuō)明整流出現(xiàn)了問(wèn)題。