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PWM

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  • 发布时间:2013/8/26 14:31:01
  • 作者:银河电气

PWM概述

  PWM是英文pulse-width modulation的缩写,意为脉冲宽度调制。《通信科学技术名词》第一版这样定义PWM:脉冲宽度随调制信号的变化而改变的脉冲调制。

  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,通常,我们可以通过对半导体开关器件的通断控制,输出一系列占空比可调的脉冲,用以等效正弦波或其他所需要的波形。

  电机就是典型的具有惯性的环节,PWM常用于等效可变的直流电(直流斩波电源)驱动直流电机,也常用于等效的正弦交流电SPWMSVPWM(逆变器、变频器、变流器等)驱动交流电机。

  之所以采用PWM、SPWM、SVPWM等手段去等效各种所需的波形,而不是直接产生需要的波形,是因为这些应用往往需要输出大功率电能,此时,采用开关技术可以大幅度提升电能的利用率,限于目前电力电子技术的特点,还不能直接输出这些波形,而是输出与之功效基本相当的PWM波形。因此,也有将SPWM波形称为“疑似正弦波”。

单极性PWM

PWM波形

PWM的实现

  将正弦半波按调制周期等分为N等份,这些等分出来的波形可以看做宽度相等、幅值不等、脉冲顶部为曲线的脉冲,如图1所示。将这些脉冲用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等,这就得到下图所示的波形。

等分正弦波等效成面积相同的脉冲信号

等分正弦波等效成面积相同的脉冲信号

  通过调节脉冲宽度可以实现各种所需的波形。以正弦波为例,如下图所示,用开关来控制直流电的通断,输出占空比不同脉冲,按照按正弦的变化规律,通过控制开关通断的时间,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,将等效面积合并起来就是我们需要的正弦波。

最简单的PWM实现过程

最简单的PWM实现过程

用开关模拟单极性PWM实现过程

用开关模拟单极性PWM实现过程

  将上图中的开关用IGBT代替,通过调制电路控制IGBT通断,在ur和uc交点时刻来判断IGBT的通断,应用中如下图所示:

单极性SPWM的调制电路

单极性SPWM的调制电路

单极性SPWM的调制方法

单极性SPWM的调制方法

  ur正半周,V1保持通,V2保持断

  ——当ur>uc时,使V4通,V3断,uo=Ud ;

  ——当uc时,使v4断,v3通,uo=0 。

  ur负半周,V1保持断,V2保持通

  ——当ur>uc时,使V4通,V3断,uo=0;

  ——当uruc时,使v4断,v3通,uo=-ud。

PWM的分类

  依据PWM的等效方式,可以分为变脉宽PWM、等脉宽PWM、变周期PWM、等周期PWM、随机PWM、单极性PWM、双极性PWM、SPWM、SVPWM等等。

  首先,变脉宽PMW比较容易理解,因为PWM作为一种调制方式,调制的就是脉冲宽度。问题是,等脉宽也能称为PWM吗?

  能!

  一般而言,我们说的脉宽,是指一个调制周期T内的高电平宽度,等脉宽高电平宽度不变,但是低电平宽度是变化的,可以理解为调制的就是低电平宽度。

等脉宽PWM

等脉宽PWM

  具体而言,被调制信号幅值较小时,取较宽的低电平宽度,被调制信号幅值较大时,取较窄的低电平;始终能保持调制周期内脉冲面积与被调制信号的面积相等。符合PWM的面积相等原则。

  细心的同学会发现,变脉宽PWM的调制周期不变,高电平和低电平宽度同时变化,此消彼长,此长彼消!等脉宽PWM的高电平宽度不变,低电平宽度与调制周期按照相同的方向在变化;当被调制信号相等,且PWM幅值相等时,两者的占空比相等。

  依据上述分析,等脉宽PWM属于变周期PWM的一种,而等周期PWM一定是变脉宽PWM。

  随机PWM是指PWM的调制周期是随机变化的,当然,随机是相对的,有规律是绝对的,某些变频器采用随机PWM时,就是使整数个PWM的调制周期与被调制的正弦波信号的周期相等,提高等效波形(基波)的质量。

  由下面两幅图可直观的看出单极性PWM与双极性PWM的区别及名称的来由。

单极性PWM

单极性PWM

 双极性PWM

双极性PWM

  SPWM是英文Sinusoidal Pulse Width Modulation的缩写,意为正弦脉宽调制。某种角度上讲,不能算是PWM的一种分类,因为只是表明被调制信号是正弦波,并没有对调制方式进行限制。但是,因为SPWM应用广泛,大量的学者针对调制效果对SPWM开展了大量研究,也对调制方法提出了若干改良的意见,SPWM是一种实用技术,而其复杂程度,远远大于上述几种PWM。

  SVPWM是英文Space Vector Pulse Width Modulation的缩写,意为空间矢量脉冲宽度调制,简称空间矢量脉宽调制,比SPWM更为复杂。两者的区别,请参见文章SVPWM与SPWM的区别

PWM的测量

  SPWM称为疑似正弦波,这里的正弦波是我们的目标波形,在PWM中,目标波形称为基波,除了基波之外,还含有丰富的谐波。谐波分布及含量主要取决于频率调制比、幅值调制比及调制方式。

  PWM测量包括基波测量及谐波测量,对于电机系统而言,决定输出扭矩及转速的主要是基波,因此,基波的准确测量非常重要。

  谐波对电机的绝缘及能效有负面影响,因此,谐波测量同样很重要。

  GB/T 22670-2008 变频器供电三相笼型感应电动机试验方法对用于PWM波测量的仪器的要求进行了详细的描述。详情请参见“电机测试系统全攻略——带宽要求

  一般用带宽较宽的功率分析仪及配套的传感器测量变频器输出PWM波的基波和谐波。相关仪器信息请参见“WP4000变频功率分析仪”、“SP系列变频功率传感器”。

  SPWM和SVPWM的谐波均集中在开关频率整数倍附近。SPWM电压低次谐波含量少,SVPWM电流低次谐波含量少。下图为注入三次谐波的SPWM相电压频谱。

注入三次谐波的SPWM相电压频谱

注入三次谐波的SPWM相电压频谱

PWM的技术地位

01PWM技术用于直流斩波电路

  直流斩波电路是一种把一定形式的直流电压变换成负载所需的直流电压的变流装置。它通过周期性地快速开通、关断,把输入电压斩成一系列的脉冲电压,改变脉冲列的脉冲宽度或频率可以调节输出电压的平均值,因此直流斩波器的基本作用是进行直流电压的变换,即调压作用。 

  直流斩波器除了可以调节直流电压外,还可以进行调阻和调磁。由直流斩波器和一个固定电阻相并联,通过直流斩波器的斩波作用,可以调节并联等效电阻的阻值,这一过程称为调阻。若将直流斩波器串联在电机的励磁回路中,通过斩波作用调节励磁电流,从而调节电机的磁场大小,这一过程称为调磁。因此,直流斩波器具有调压、调阻和调磁的作用。 

  由于直流斩波器具有调压、调磁等作用,因此它的应用领域之一是直流电机的调速。直流电机的转速取决于电枢电压及磁场的大小,通过直流斩波器的调压作用,可以调节电机的电枢电压,达到调速的目的。另外,通过直流斩波器的调磁作用,可以调节电机的磁场及励磁电流,也可以达到调速的目的。直流电机调速在地铁、城市无轨电车、电动汽车等运输车辆上得到了广泛的应用。 

  直流斩波器的另一应用领域是直流供电电源。在各种应用场合中,不同用电设备所需要的直流供电电压的等级不同,采用直流斩波器可以将单一的、不稳定的直流输入电压变换成负载所需要的稳定的、不同电压等级的直流供电电压,因为直流斩波器工作在开关状态,因此这种类型的直流供电电源也称为开关电源。开关电源在计算机、通信等各个领域也得到了广泛的应用。 

  另外,由于直流斩波器的工作方式是把输入直流电压斩波成为高频脉冲电压,将此脉冲电压通过高频变压器隔离后再进行滤波,可以得到与输入电压相互隔离的直流输出电压,从而使直流斩波器应用在输入、输出之间需要隔离的场合中。 

02PWM技术用于逆变电路

  PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用,才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。PWM控制的逆变电路应用已经非常广泛,大部分逆变装置基本均采用PWM控制

03PWM技术用于整流电路

  PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路,可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路在变频器、电力传动、UPS电源等都获得了广泛应用,并有良好的应用前景。


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