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脉宽调制

  脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)是靠改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样,使调压和调频两个作用配合一致,且于中间直流环节无关,因而加快了调节速度,改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电,可用不可控整流器取代相控整流器,使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件,开关频率大幅度提高,输出波形可以非常接近正弦波。
脉宽调制

脉宽调制变频电路的特点

  1.    可以得到相当接近正弦波的输出电压

  2.    整流电路采用二极管,可获得接近1的功率因数

  3.    电路结构简单

  4.    通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压,加快了变频过程的动态响应

脉宽调制的原理

  脉宽调制(PWM)。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出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。也就是在输出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,所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。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出电压的大小,也可改变输出频率。

  在采样控制理论中有一个重要的结论,即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析,则它们的低频段特性非常接近,仅在高频段略有差异。

  根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波,通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。

  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 ,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。可以看出,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,要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可,因此在交-直-交变频器中,整流电路采用不可控的二极管电路即可,PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

  根据上述原理,在给出了正弦波频率,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出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形.

脉宽调制的典型电路图

  要实现脉宽调制功能,整个系统划分为三部分:pwm信号产生模块,控制信息处理模块和输出信息显示模块。内部逻辑电路包括键入处理电路、时钟产生电路、控制电路、按键计数电路、控制字产生电路、数控分频器BCD码转换电路。如图

脉宽调制技术的分类

  由于脉宽调制可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类,正弦PWM(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案,多重PWM也应归于此类),优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABB  ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等);而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小,电压利用率最高,效率最优,及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

脉宽调制的典型应用

  脉宽调制PWM开关稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的,除了PWM型,还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM开关稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。

  PWM软件法控制充电电流

  本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口,在不改变PWM方波周期的前提下,通过软件的方法调整单片机PWM控制寄存器来调整PWM占空比,从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件,另外ADC的位数尽量高,单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前,单片机先快速读取充电电流的大小,然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较,若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM占空比;若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰,合理采用算术平均法等数字滤波技术。

  PWM在推力调制中的应用

  1962年,Nicklas等提出了脉冲调制理论,指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案,同时能使时间或能量达到最优控制。

  脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内,通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量,从而改变总的推力效果,对于质量流率不变的系统,可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。

  脉宽调制通常有两种方法:第一种为整体脉宽调制,对控制对象进行控制器设计,并根据控制要求的作用力大小,对整个系统模型进行动态的数学解算变换,得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间;第二种为脉宽调制器,不考虑控制对象模型,而是根据输入进行“动态衰减”性的累加,然后经过某种算法变换后,决定输出所持续的时间。这种方式非常简单,也能达到输出作用近似相同。

  脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟,俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。但是当调制量为零时,正反向的控制作用相互抵消,控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后,其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率,否则不但起不到调制效果,甚至会发生灾难性后果。

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