PWM控制方法與程序案例分

采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎,對半導體開 關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進 行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率。

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PWM控制的基本原理很早就已經提出,但是受電力電子器件發展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現。直到進入上世紀80年代,隨著全控型電力電 子器件的出現和迅速發展,PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法,如現代控制理論、非線 性系統控制思想的應用,PWM控制技術獲得了空前的發展。到目前為止,已出現了多種PWM控制技術,根據PWM控制技術的特點,到目前為止主要有以下8類方法。

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1 相電壓控制PWM

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1.1 等脈寬PWM法[1]

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VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude Modulation）控制技術來實現的,其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發展而來 的,是PWM法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調壓,采 用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。相對于PAM法,該方法的優點是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數,但同時也存在輸出電壓中除基波外,還 包含較大的諧波分量。

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1.2 隨機PWM

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在上世紀70年代開始至上世紀80年代初,由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的 振動引起了人們的關注。為求得改善,隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中,各頻率能量 分布是均勻的）,盡管噪音的總分貝數未變,但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此,即使在IGBT已被廣泛應用的今天,對于載波頻率 必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術正是提 供了一個分析、解決這種問題的全新思路。

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1.3 SPWM法

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SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時, 其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎,用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷, 使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現 有以下幾種方案。