脉宽调制和频率的关系
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。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
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.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法.
1 .相电压控制PWM
1.1 等脉宽PWM法[1] VVVF(Variable V oltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量.
1.2 随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWM方法应运而生.其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱.正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路.
1.3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.
前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,
用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,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,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.
1.3.1 等面积法(计算法) 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.
1.3.2 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路
构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制.
1.3.3 软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.
1.3.3.1 自然采样法[2] 以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制.
1.3.3.2 规则采样法[3] 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般
采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样. 规则采样法是对自然采样法的改进,
其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小. 以上两种方法均只适用于同步调制方式中.
1.3.4 低次谐波消去法[2] 低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波. 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
1.4 梯形波与三角波比较法[2] 前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形
波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通
断实现PWM控制. 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的
基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.
2 .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,主要有以下两种方法. 2.1 马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4]. 除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线 电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波. 2.2 单元脉宽调制法[5] 因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60°,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60°区间用Uuv本身表示,中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60°区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了. 该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用范围较小.
3 .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.其实现方案主要有以下3种. 3.1 滞环比较法[4] 这是一种带反馈的PWM控制方式,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器,得出相应桥臂开关器件的开关状态,使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单,动态性能好,输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音,和其他方法相比,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多. 3.2 三角波比较法[2] 该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较,求出偏差电流,通过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PWM波.此时开关频率一定,因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点.但是,这种方式电流响应不如滞环比较法快. 3.3 预测电流控制法[6] 预测电流控制是在每个调节周期开始时,根据实际电流误差,负载参数及其它负载变量,来预测电流误差矢量趋势,因此,下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差.该方法的优点是,若给调节器除误差外更多的信
息,则可获得比较快速,准确的响应.目前,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性.
4 .空间电压矢量控制PWM [7] 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15%,谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引 入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定产生下一个电压矢量,形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节,系统性能没有得到根本性的改善.
5 .矢量控制PWM[8] 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Ia,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Ia1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.
6 .直接转矩控制PWM[8] 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. 7. 非线性控制PWM 单周控制法[7]又称积分复位控制(Integration 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.
8 .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.
总结
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一. 相关应用领域: PWM控制结束主要应用在电力电子技术行业,具体讲,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能
减排具有积极意义。
电压变化是通过占空比的调节改变的。 改变频率输出是通过改变开关的动作频率实现的。 在理想条件下以电压型PWM为例： 直流侧是电容器，然后通过全控器件（如IGBT）做成桥式电路，桥式电路出口处串联由电感，这就是一个典型的电压型PWM电路图。通过IGBT的通断来控制输出的电压电流。 注意，因为直流侧是电容器，所以全控器件的出口处的电压必然是幅值等于电容电压的一列占空比任意调节的方波。全控器件的出口处串联有电感，电感电流=(1/L)(du/dt) 由此式结合高数不难得出结论，理论上PWM的输出可为任意波形。其输出的电流有效值可通过改变电压有效值来改变，频率可通过改变电压变化频率改变。 电流型PWM的分析同理。
脉宽调制(PWM)集成电路SG3525原理及应用
麻省理工大学 集成电路应用课程论文 论文题目：脉宽调制（PWM）集成电路SG3525 原理及应用 学院、系：电信学院电气系 专业班级：电气11 学生姓名：葉晓龍 任课教师：*** 2014 年 6 月8日
脉宽调制（PWM）集成电路SG3525的工作原理及应用 摘要：随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面就SG3525的工作原理、管脚排列、主要特点以及应用领域等进行介绍。 关键词：PWM控制器MOSFET SG3525 开关变换器 一、概述 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 二、管教排列及定义 SG3525芯片引脚排列如下图所示： 引脚的功能及含义如下： 引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 引脚2：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信
号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 引脚3：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 引脚4：振荡器输出端。 引脚5：振荡器定时电容接入端。 引脚6：振荡器定时电阻接入端。 引脚7：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 引脚8：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 引脚9：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 引脚10：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 引脚11：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 引脚12：信号地。 引脚13：输出级偏置电压接入端。 引脚14：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 引脚15：偏置电源接入端。 引脚16：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 三、主要特点及应用领域 主要特点 （1）外围电路简单，使用方便 （2）保护功能齐全 （3）软启动特性 （4）死区可调 应用领域 （1）开关电源电路 （2）随动系统直流电机调速电路
NE555PWM脉宽调制电路分析与实验
NE555PWM脉宽调制电路分析与实验
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NE555PWM脉宽调制电路 PWM称之为脉冲宽度调制信号，利用脉冲的宽度来调整亮度，也可用来控制DC马达。PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约400HZ-10KHZ，当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动，而是改变这个频率上方波的宽度，宽度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。 图1-5 PWM脉宽调制图片 以下为PWM工作原理: reset接脚被连接到+V，因此它对电路没有作用。 当电路通电时，Pin 2 (触发点)接脚是低电位，因为电容器C1开始放电。这开始振荡器的周期，造成第3接脚到高电位。当第3接脚到高电位时，电容器C1开始通过R1和对二极管D2充电。当在C1的电压到达+V的2/3时启动接脚6，造成输出接脚(Pin3)跟放电接脚(Pin7)成低电位。 当第3接脚到低电位，电容器C1起动通过R1和D1的放电。当在C1的电压下跌到+V的1/3以下，输出接脚(Pin3)和放电接脚(Pin7)接脚到高电位并使电路周期重复。 Pin 5并没有被外在电压作输入使用，因此它与0.01uF电容器相接。 电容器C1通过R1及二极管，二极管一边为放电一边为充电。充电和放电电阻总和是相同的，因此输出信号的周期是恒定的。工作区间仅随R1做变化。 PWM信号的整体频率在这电路上取决于R1和C1的数值。 公式：频率(Hz)= 1.44/(R1 * C1)
脉宽调制控制电路
脉宽调制控制电路 学生姓名：胡真 学号：20085042054 工业现场控制当中，经常要用到一些可变的直流电压，而一般的直流电源其值是固定不变的，为了得到可变的直流电压，我们一般采用脉宽调制控制电路，也就是我们通常所说的PWM 控制电路。该电路是利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频的目的的一种变换电路，多用在开关稳压电源、不间断电源(UPS)以及交直流电机调速等控制电路中。 1. 脉宽调制控制电路的工作原理 图1 PWM 控制电路原理 基本的脉宽调制控制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分，如图1所示。运算放大器N 工作在开环状态，实现把连续电压信号变成脉冲电压信号。二极管VD 在V1关断时为感性负载RL 提供释放电感储能形成续流回路。N 的反相端输入三个信号：一个是锯齿波或三角波调制信号up ，其频率是主电路所需的开关调制频率，一般为1~4kHz ；另一个是控制电压uk ，其极性与大 U u 0 u c D
小随时可变； 再一个是负偏置电压u0，其作用是在Uc ＝0时通过Rp 的调节使比较器的输出电压Ub 为宽度相等的正负方波。当Uc>0时，锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波。当Uc<0时，锯齿波过零的时间后移，结果在输出端得到正半波比负半波宽的调制方波。 图2 PWM 控制负载的波形图 PWM 信号加到主控电路的开关管V 的基极时，负载RL 两端电压uL 的波形如图2所示。显然，通过PWM 控制改变开关管在一个开关周期T 内的导通时间τ的长短，就可实现对RL 两端平均电压UL 大小的控制。 2. 典型脉宽调制电路 2.1. 对脉宽调制器的基本要求 （1）死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。 （2）在设计实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。 （3）考虑与功率转换电路的耦合问题。 t t 2T 2T T T T +τ T +τ τ τ O O u u U U E E
新型无扇区空间矢量脉宽调制算法的研究概要
新型无扇区空间矢量脉宽调制算法的研究 李丹 周波 黄佳佳 方斯琛 （南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室， 南京， 210016） 摘要：传统的空间矢量脉宽调制（SVPWM ）算法需要进行扇区判断，编程实现复杂。本文提出了一种基于新坐标系下的电压空间矢量脉宽调制的新算法。该算法无需扇区判断即可直接求解三相桥臂开关的占空比；实现了对开关信号的直接求解。与传统调制方法相比,大大简化了数字实现，提高了实时性。仿真及实验结果表明了该方法的正确性和可行性。 关键词：空间矢量脉宽调制;三相逆变器;坐标系;新型调制算法; 1 引 言 在控制电机的三相逆变器中，空间矢量脉宽调制（SVPWM ）和正弦脉宽调制（SPWM ）为两种常用调制方式。与SPWM 近似正弦的输出电压不同，SVPWM 的调制方法将逆变器和电机视为一个整体，着眼于使电机实现幅值恒定的旋转磁场。与SPWM 相比，功率器件的开关次数可以减少1/3，直流电压利用率可提高15%，能获得较好的谐波抑制效果，具有快速的响应等特点；并且，SVPWM 调制方式更适合数字实现。 SVPWM 的一系列优点使其得到了广泛应用，但缺点是数字控制复杂，因此许多文献致力于寻找SVPWM 的简化算法[1]~[3]。文献[1] 改变了扇区划分方式，减少了一定的运算步骤；文献[2]使用新的扇区标号判别方法减少了三角运算，提高了运算速度。 以上这些改进一定程度上简化了SVPWM 的数字实现，但由于简化都是针对传统调制算法的具体运算步骤进行的，因此改进有限。本文通过对SVPWM 的本质分析，提出了一种无扇区的全新实现方法。该方法改变了SVPWM 调制算法的实现思想，将整个向量空间视为整体，省略扇区的概念来达到算法的简化，与传统调制方法相比减小了编程难度，提高了运算实时性，有利于数字实现。 2 传统电压空间矢量脉宽调制方法 三相全桥逆变器共八种开关模式，分别对应八个基本电压空间矢量U 0~U 7，如图1所示。两个零矢量U 0、U 7幅值为0，位于原点。其余六个非零矢量幅值相同，相邻矢量间隔60o 。根据非零矢量所在位置将空间划分为六个扇区。空间矢量脉宽调制就是利用U 0~U 7的不同组合，组成幅值相同、相位不同的参考电压矢量U ref ，从而使矢量轨迹尽可能逼进基准圆， U 456Ⅴ T 1/T pwm *U 1 U 1O
脉宽调制(PWM)的基本原理及其应用实例
脉宽调制(PWM)的基本原理及其应用实例 脉宽调制(PWM)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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 模拟电路 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 数字控制 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 简而言之，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。 图1显示了三种不同的PWM信号。图1a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。图1b和图1c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM 输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。 图2是一个可以使用PWM进行驱动的简单电路。图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。 大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
正弦脉宽调制控制
为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。应用最早而且作为pwm控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。 图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列 3.1 正弦脉宽调制原理 一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12)，如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。 在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的spwm 波形称作单极式spwm。
PWM脉宽调制方法介绍
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。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 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
正弦脉宽调制(SPWM)控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制（转载） 为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。应用最早而且作为pwm 控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。 图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列 3.1 正弦脉宽调制原理 一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12)，如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。 在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。同样，正弦波的负半周也
脉宽调制技术外文翻译
附录A 译文 脉宽调制技术 前面讨论的三相6阶梯逆变器既有其优点也有其局限性。由于在基波频率的每个周期仅开关六次，因此逆变器的控制简单而且开关损耗低。但是6阶梯波电压中的低次谐波会导致电流波形产生极大的畸变，除非使用笨重庞大的不经济的低通滤波器滤波。另外，输出电压靠整流器控制，也不可避免的带有整流器所具有的通常的缺点[16]。 脉宽调制（PWM ）工作原理 由于逆变器中电子开关的存在，在恒定的直流输入电压d V 作用下，逆变器可以通过自 身的多次开关控制输出电压并优化输出谐波。图5-18解释了通过PWM 控制输出电压的工作原理。基波电压1v 在方波工作模式下具有最大的幅值（4d v / ）。如图示，通过产生俩个凹口，1v 的幅值可以被减小，随着凹口宽度的增加，基波电压将随之减小。 图5-18 PWM 控制输出电压的工作原理 PWM 分类 在过去的文献中已提出了很多的PWM 技术，下面是对这些PWM 技术的分类。 1）正弦PWM （SPWM ）； 2）特定谐波消除PWM （SHEPWM ）； 3）最小纹波电流PWM ； 4）空间矢量PWM （SVW ）； 5）随机PWM ；
6）滞环电流控制PWM ； 7） 瞬时电流控制正弦PWM ； 8）Delta 调制PWM ； 9）Sigma Delta 调制PWM 通常PWM 技术可以按电压控制或电流控制来分类，或按前馈方式或反馈方式来分类，也可以按基于斩波或不基于斩波来分类。注意，前面讨论的移相控制PWM 也是一种PWM 技术。在这一节中，将对主要的PWM 技术做一简单的回顾。 5.5.1正弦PWM 正弦PWM 技术在实际的工业变流器的应用中非常普及。这项技术在文献中已经得到了广泛的讨论。图5-19解释了SPWM 的基本工作原理。图中频率为c f 的等腰三角载波与频率f 的正弦调制波相比较，两者的焦点确定了电力电子器件的开关时刻。例如，图中给出了开关半桥逆变器中的14Q Q 构成的a0v 波形，为防止14Q Q 的同时导通而设计的14Q Q 之间的死区时间在图中被忽略了。上述方法也被称为三角波法，次谐波法或次震荡法。a0v 波形的脉冲及凹口宽度按正弦规律变化，从而使其基波成分的频率等于f 且幅值正比于指令调制电压。如图5-20给出了负载无中线连接的典型的线电压的相电压波形。a0v 波形的傅立叶分析可以由下式给出: ）高频成分（）（w w wt sin m 5.0v c d 0a N M V ±++=? (5-33) 图5-19 三相桥式逆变器正弦PWM 的工作原理 式中，m 为调制指数；w 为基波频率（rad/s ），（与调制频率相同）；?为输出相位移，
SVPWM算法程序
第6章空间矢量脉宽调制技术 例1、CLARK变换的DSP实现 图CLARK变换实现波形图 /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- CLARKE变换相关变量定义 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ typedef struct { float32 As; // 输入：A相定子电流 float32 Bs; // 输入：B相定子电流 float32 Alpha; // 输出：静止坐标系d轴定子电流 float32 Beta; // 输出：静止坐标系q轴定子电流 void (*calc)(); // 计算函数指针 } CLARKE; typedef CLARKE *CLARKE_handle; /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 定义CLARKE变换初始化参数 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ #define CLARKE_DEFAULTS { 0, \ 0, \ 0, \ 0, \ (void (*)(Uint32))clarke_calc } /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- CLARKE变换函数原型CLARKE.C ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/ void clarke_calc(CLARKE_handle); #include "dmctype.h"
脉冲宽度调制(PWM)技术
脉冲宽度调制(PWM)技术 在电力电子变流器控制系统中，对于控制电路的要求往往是除能够控制负载的加电与断电外，还应该能够控制加载到负载上的电压高低及功率大小。在大功率电力电子电路中，控制加载至负载上电压及功率的实用方法就是脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。 1. 面积等效原理 在控制理论中，有一个重要的原理，即冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量(冲量)作用在具有惯性的环节上时，只要这些变量对时间的积分相等，其作用的效果将基本相同。这里所说的效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。例如，下图1示出的三个窄脉冲电压波形分别为矩形波、三角波和正弦波，但这二个窄脉冲电压对时间的积分相等，或者说它们的面积相等。当这三个窄脉冲分别作用在只有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。因此，冲量等效原理也可以称为面积等效原理。 从数学角度进行分析，对上图1所示的三个窄脉冲电压波形进行傅里叶变换，则其低频段的特性非常相近，仅在高频段有所不同，而高频段对于具有惯性负载的电路影响非常小。由此进一步证明了面积等效原理的正确性。 2. 脉冲宽度调制技术
依据面积等效原理，在电路中可以利用低端电源开关或高端电源开关，以一定频率的导通和截止连续切换，使电源电压U i以一系列等幅脉冲(或称为矩形波)的形式加载到负载上，加载在负载上的电源电压Uo波形如图2所示。 图2所示的矩形波的电压平均值： 此式表明在一个脉冲周期内，电压的平均值与脉冲的占空比是成正比的，于是，可以通过改变脉冲的占空比来调整加载到负载上的电压大小。当占空比小时，加载到负载上的平均电压就低，即加载到负载上的功率小；而占空比大时，加载到负载上的平均电压就高，加载到负载上的功率大。这种通过等幅脉冲调节负载平均电压及功率的方法称为脉冲宽度调制，也称为斩波控制。 采用脉冲宽度调制方式为负载供电，由于供电电压是脉动的，势必会产生出各种谐波。为了明确脉冲宽度调制技术对负载产生的影响，且考虑此分析结果便于以后章节引用，可将图2所示的等幅脉冲序列描述为 式中，G(t)为开关函数，其波形如图3所示。 在此式中，第一项DUi是等幅脉冲序列的直流成分，也即输出电压的平均值。可见，输出电
脉宽调制的基本原理及其应用实例
脉宽调制的基本原理及其应用实例 2009-12-16 20:17:00| 分类：驱动控制| 标签：|字号大中小订阅 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽 调制，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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 一、脉冲宽度调制基本原理 随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 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。 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。 P WM调速基本原理 P WM脉冲驱动电路 直流电机的速度控制中，需要对控制信号进行功率驱动或电气隔离，以下为典型应用电路（负载为直流电机M1）。
空间矢量PWM算法的理解_Revise
空间矢量PWM算法的理解 姜淑忠 上海交通大学电气工程系(上海200030) 摘要：继正弦波PWM（SPWM）开关算法之后，空间矢量（Space Vector）PWM （SVPWM）已成为三相或多相逆变器的开关算法。本文以SVPWM的基本原理为基础，计算开关时间，讨论开关向量的选择原则，并用数字信号处理器（DSP）实现SVPWM算法。最后根据电压综合向量，推导相电压有效值与交流输入电压有效值的关系。 关键词：SVPWM，开关向量，开关时间，相电压有效值 Understanding of Space Vector PWM Algorithm S.Z. Jiang Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University (Shanghai 200030) Abstract: Following the SPWM algorithm, SVPWM algorithm has been adopted in three-phase and multi-phase inverters. Based on the principle of SVPWM, the calculation of switch time, the selection of switch vector and the realization on DSP are presented in this paper. Finally the relation between the rms of phase voltage and the rms of ac source is derived from the complex voltage vector. Keywords: SVPWM, Switch vector, Switch time, RMS of phase voltage 1、前言 无论是一般的变频调速，还是磁场定向控制，当计算出静止直角坐标系中的电压综合向量后，都要采用SVPWM算法获得三相逆变器六个开关器件的开关信号。早期
脉宽调制电路
脉宽调制电路 通电后IC的7脚由电阻分压产生8.25V的直流电压，刚通电时6脚电位低于7脚，比较器(LM339)1脚输出高电位，R3的正反馈作用，使得比较器迅速饱和，随着时间的推移，电容逐渐充电，6脚的电位逐渐升高，当高于7脚的电位时(8.25V)，比较器突然翻转，1脚输出低电位，同样正反馈的作用使得该过程更强烈，此时电容通过R4和二极管D1向LM339的1脚放电。当电容上的电压低于IC7脚的电压(这时可能不是8.25V了，因为1脚的低电位会影响到7脚电压)时，电路再次翻转，重复前面的过程，从而在电容两端形成了8000Hz 的锯齿波电压。该锯齿波电压直接施加于比较器的4脚，又和控制电压进行比较，当电容两端电压高于控制电压时，比较器输出低电位，低于控制电压时输出高电位，相当于把锯齿的上半部分切掉了，因此控制电压越高，锯齿切掉的越少，输出的脉宽就越宽。稳压二极管在这里起削波的作用，实现脉出的整形。这个电路设计的非常经典，是非常好的脉宽调制电路。
图1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双 电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚
电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。 图1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。 当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q 1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N等替换Q1。
第十章2三相马鞍波脉宽调制变频原理实验
实验10-2三相马鞍波脉宽调制变频原理实验 一、实验目的 (1)通过实验，掌握马鞍波脉宽调制的原理及其实现方法。 (2)熟悉与马鞍波脉冲宽度调制有关的信号波形。 二、实验所需挂件及附件 三、实验原理 马鞍波PWM调制技术是VVVF变频器中经常采用的技术，这种技术主要是通过对基波正弦信号注入三次谐波，形成马鞍波。采用马鞍波做为参考波信号进行PWM调制，与SPWM调制方式相比，马鞍波调制的主要特点是电压较高，调制比可以大于1，形成过调制。 四、实验方法 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将调制方式设定在马鞍波方式下（将控制部分V、P两端用导线短接，S端悬空），然后打开电源开关。 (2)点动“增速”按键，将频率设定在0.5Hz。用示波器观测SPWM 部分的三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”），三角载波信号（在测试点 158
“5”），三相SPWM调制信号（在测试点“6、7、8”）；再点动“转向”按键，改变转动方向，再观测上述各信号的相位关系的变化。 (3)逐步升高频率，直至50Hz处，重复以上的步骤。 (4)将频率设置为0.5Hz～60Hz的范围内改变，在测试点“2、3、4”观测马鞍波信号的频率和幅值的关系。 五、实验报告 (1)画出与马鞍波调制PWM有关的主要信号波形，说明马鞍波PWM 调制的基本原理。 (2)为什么采用马鞍波调制后的PWM输出电压比采用正弦波脉宽调制的PWM输出电压有较高的基波电压分量？ 六、注意事项 由于马鞍波PWM调制技术是在正弦波脉宽调制（SPWM）的基础上发展而来，其调制的原理与正弦波脉宽调制完全一致。故与正弦波脉宽调制共用其波形测试点。 159
基于空间矢量PWM算法的全数字化调速系统_詹长江
基于空间矢量PWM算法的全数字化调速系统 A Fully Digitalized AC Speed Regulation System Based on Space Vector PWM Control Algorithem 华中理工大学 詹长江 陈 坚 康 勇 段善旭 (武汉 430074) 摘要:提出一种基于空间矢量PWM算法的全数字化交流调速系统。该系统采用双80C196K C单片机控制结构,双机之间数据并行通讯由双口RAM来完成。此外,还提出了一种新颖的定子电流检测方法,该方法基于空间矢量P WM算法,在逆变器零开关矢量作用时间内进行电流采样,采样值波动性小。实验结果表明该系统具有优良的性能。 Abstract:A fully dig italized A C speed regulation system based on space vector PWM control algorit hm is descr ibed in detail.T he control structure composed by double80C196K C chips is adopted.T he par allel commu-nicatio n can be fulfilled with the dua-l po rt-RAM.F uthermore,a new method for testing the stator current based on space vector PWM algor ithm i s proposed.T he good performance of the system is verified by ex per-i mental r esults. 叙词:调速系统 脉宽调制 数字化/空间矢量 Keywords:speed regulation system;PWM;digitalization/space vector 1 引 言 近年来,采用PWM技术的交流变频调速系统逐渐应用于工业领域中[1]。就PWM而言,本质在于优化开关函数,使得逆变器按一定规律输出电压或电流。德国学者H.W.Vander Broek等提出的基于电压空间矢量控制,不仅使得电机转矩脉动降低、电流波形畸变减小,而且与常规SPWM技术相比直流电压利用率亦有很大提高[3]。 由于交流电机本身具有非线性和强耦合性,故其控制方式复杂,用常规的模拟和数字电路难以完成复杂的控制功能,而且系统实时性的要求往往使得用一个单片机很难达到较好的控制效果[5]。而采用双单片机控制结构,既兼顾了成本方面的要求,又得以实现如矢量控制一类复杂的控制方式[6、7、8]。 交流调速系统数字化控制的另一个关键是定子电流的有效、快速、可靠的检测。通常的采样办法的最大缺点在于易受逆变器开关噪声的影响,这样采样值易受干扰而偏离原值,且波动性很大。 本文提出的基于电压空间矢量PWM算法的双80C196KC单片机控制的交流调速系统,双机之间的通讯由双口RAM芯片IDT7130硬件实现,既加快了数据传送率,又提高了系统的可靠性。另外,文中介绍的基于电压空间矢量PWM算法的定子电流检测方式可在逆变器零开关矢量作用时间内完成定子电流的检测和采样,理论上避免了开关器件开通和关断引起的开关噪声,这样采样值波动性小,增加了系统动态响应性能。 2 电压空间矢量PWM算法 图1所示主电路中,忽略电机定子绕组电阻R s,当定子绕组施加三相理想正弦电压时,由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量,故气隙磁通以恒定角速度旋转,轨迹为园形。实际运行中,逆变器只有六个有效开关矢量V 1~V 6和两个零开关矢量V 和V 7 ,其输出电压只可能有八种状态,因此,只能用V 0~V 7八个矢量的线性组合去近似模拟等幅旋转矢量,这时实际的电机气隙磁通轨迹近似圆形。 由文献[2、3、4]可知,逆变器输出参考电压合成空间矢量落在第I扇区时,有效开关矢量工 /3- )/2 sin /2 (1)
NE555PWM脉宽调制电路
NE555PWM脉宽调制电路 PWM称之为脉冲宽度调制信号，利用脉冲的宽度来调整亮度，也可用来控制DC马达。PWM脉冲宽度调制信号的基本频率至少约400HZ-10KHZ，当调整LED的明或暗时，这个基本的频率不可变动，而是改变这个频率上方波的宽度，宽度越宽则越亮、宽度越窄则越暗。PWM是控制LED的点亮时间，而不是改变输出的电压来控制亮度。 图1-5 PWM脉宽调制图片 以下为PWM工作原理: reset接脚被连接到+V，因此它对电路没有作用。 当电路通电时，Pin 2 (触发点)接脚是低电位，因为电容器C1开始放电。这开始振荡器的周期，造成第3接脚到高电位。当第3接脚到高电位时，电容器C1开始通过R1和对二极管D2充电。当在C1的电压到达+V的2/3时启动接脚6，造成输出接脚(Pin3)跟放电接脚(Pin7)成低电位。 当第3接脚到低电位，电容器C1起动通过R1和D1的放电。当在C1的电压下跌到+V的1/3以下，输出接脚(Pin3)和放电接脚(Pin7)接脚到高电位并使电路周期重复。 Pin 5并没有被外在电压作输入使用，因此它与0.01uF电容器相接。 电容器C1通过R1及二极管，二极管一边为放电一边为充电。充电和放电电阻总和是相同的，因此输出信号的周期是恒定的。工作区间仅随R1做变化。 PWM信号的整体频率在这电路上取决于R1和C1的数值。 公式：频率(Hz)= 1.44/(R1 * C1)
利用555定时器实现宽范围脉宽调制器(PWM) 脉宽调制器(PWM)常常用在开关电源(稳压)中,要使开关电源稳压范围宽(即输入电压范围大)，可利用555定时器构成宽范围PWM。 仅需把一个二极管和电位计添加到异步模式运转的555定时器上，就产生了一个带有可调效率系数为1%到99%的脉宽调制器(图1)。它的应用包括高功率开关驱动的电动机速度控制。 图1：在555定时器电路中增加一个二极管和电位计可构成一个宽范围PWM。/TD> 这个电路的输出可以驱动MOSFET去控制通过电动机的电流，达到平滑控制电动机速度9 0%左右。这也应用于灯光的控制，灯光的强度可得以有效控制。 另一个应用是在开关式电源。PWM调整允许一个可变的输出电压。可通过555定时器(5个引脚)VC终端的反馈来调节电压。一个超过调节阈值限制的输出电压将提前结束基于周期循环的PWM信号，以维持输出电压的稳定。微处理器可以通过数字电位计直接调节PWM 去控制电动机速度、灯光强度或者电源输出电压。对于周期因子(DF)： 其中， 而a是终端２和终端１之间电阻与终端3和终端１之间电阻的比值。选R3=R1，R2=100×R1，这时DF为1%至99%。如上所述，数字电位计可以代替R2。通过的电流有限是在该应用中使用数字电位计的主要约束。对于一个100kΩ的数字电位计，R1和R3可以达到1 kΩ，则峰值电流为5mA。
差动脉宽调制电路
5.3.2 差动脉宽调制电路 该电路常用于差动电容式传感器，电路原理如图5-12所示。该电路由电压比较器A 1、A 2、双稳态触发器及电容充放电回路所组成；C 1、C 2为传感器的差动电容；A 3为低通滤波器；双稳态触发器的两个输出端用作差动脉冲宽度调制电路的输出；f U 为比较电压。 设电源接通时，双稳态触发器的A 端为高电位，B 端为低电位，因此A 点通过1R 对1 C 充电，直至M 点上的电位等于参考电压f U 时，比较器A 1产生脉冲，触发双稳态触发器翻转，A 点成低电位，B 点成高电位。此时M 点电位经二极管 D 1从f U 降至零，而同时B 点的高电位经2R 向2C 充电，当N 点电位充电至f U 时，比较器A 2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A 点成高电位，B 点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受1C 、2C 调制的脉冲方波。方波脉宽与1C 、2C 的关系如下：当1C =2C 时，线路上各点电压波形如图5-13（a ）所示，A 、B 两点间平均电压为零。但当1C 、2C 值不相等时，如1C >2C ，则1C 、2C 充放电时间常数发生改变，电压波形如图5-13（b ）所示。A 、B 两点间平均电压不再是零，输出直流电压U sc 等于A 、B 两点间电压平均值U AP 与U BP 之差。已知： 1AP 112T U U T T = + 2 BP 112 T U U T T =+ 式中，1U 为触发器输出高电平，T 1、T 2为充电时间。 则 12 sc AP BP 1 12 T T U U U U T T -=-=+ （5.3.1） 图5-12 差动脉冲宽度调制线路