PWM调速系统的工作原理，几种PWM控制方法

　　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。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

　　一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM ）是一种对模拟信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。

　　几种PWM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。来看看几种PWM控制方法。

　　第一种，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。

　　第二种，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。

　　第三种，空间电压矢量控制PWM

　　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1

　　第四种，矢量控制PWM

　　矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流la，Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流la1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制其实质是将交流电动机等效为直流电动机分别对速度磁场两个分量进行独立控制通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

　　但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足，此外。它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。

　　第五种，直接转矩控制PWM

　　1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control 简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流，磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值。

　　然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想简洁明了的系统结构，优良的动静态性能得到了迅速发展但直接转矩控制也存在缺点如逆变器开关频率的提高有限制。

　　第六种，非线性控制PWM

　　单周控制法［7］又称积分复位控制（ntegration Reset Control，简称IRC），是一种新型非线性控制技术其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关积分器，触发电路，比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器，比较器，积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器，其控制原理如图1所示图中K可以是任何物理开关，也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号。

　　单周控制在控制电路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快，开关频率恒定，鲁棒性强等优点此外，单周控制还能优化系统响应，减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。

　　第七种，谐振软开关PWM

　　传统的PWM逆变电路中，电力电子开关器件硬开关的工作方式，大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高，而高频化是电力电子主要发展趋势之一，它能使变换器体积减小重量减轻，成本下降，性能提高;特别当开关频率在18kHz以上时，噪声将已超过人类听觉范围，使无噪声传动系统成为可能谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上，附加一个谐振网络。

　　谐振网络一般由谐振电感谐振电容和功率开关组成，开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程，谐振过程极短，基本不影响PWM技术的实现，从而既保持了PWM技术的特点又实现了软开关技术。但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，从而限制了该方法的应用。