脉冲宽度调制是什么

脉宽调制(PWM)是一种模拟控制方法，根据相应负载的变化来调制晶体管基极或MOS晶体管栅极的偏置，从而实现晶体管或MOS晶体管导通时间的变化，从而实现开关稳压电源输出的变化。

脉宽调制(PWM)是一种模拟控制方法，根据相应负载的变化来调制晶体管基极或MOS晶体管栅极的偏置，从而实现晶体管或MOS晶体管导通时间的变化，从而实现开关稳压电源输出的变化。这种方式可以在工况变化时保持电源的输出电压恒定，利用微处理器的数字信号控制模拟电路是一种非常有效的技术。脉宽调制(PWM)是一种利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的非常有效的技术，广泛应用于从测量和通信到功率控制和转换的许多领域。

背景

随着电子技术的发展，出现了多种脉宽调制技术，包括:相电压控制脉宽调制、脉宽调制、随机脉宽调制、SPWM、线电压控制脉宽调制等。，而镍氢电池智能充电器中使用的脉宽调制方法，它将每一个等脉宽的脉冲串作为脉宽调制波形，可以通过改变脉冲串的周期来调节频率，通过改变脉冲宽度或空的比值来调节电压，并采用适当的控制方法使电压和频率和谐变化。通过调节PWM的周期和PWM的占空比空可以达到控制充电电流的目的。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率不受限制。9V电池是模拟器件，因为它的输出电压不完全等于9V，而是随时间变化，可以取任何实值。类似地，从电池吸收的电流不限于一组可能的值。模拟信号和数字信号的区别在于，后者的值只能属于预定的一组可能值，如{0V，5V}。

模拟电压和电流可以直接用于控制，比如控制车载收音机的音量。在简单的模拟收音机中，音量旋钮连接到可变电阻。转动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增大或减小，从而改变驱动扬声器的电流值，使音量相应增大或减小。像收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

虽然模拟控制看起来直观简单，但并不总是非常经济或可行的。其中之一就是模拟电路容易随时间漂移，很难调整。能解决这个问题的精密模拟电路可以很大，很重(比如老式的家庭立体声设备)，很贵。模拟电路也可能产生严重的发热，其功耗与工作元件两端电压和电流的乘积成正比。模拟电路也可能对噪声敏感，任何干扰或噪声肯定会改变电流值。

通过数字控制模拟电路，可以大大降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和数字信号处理器的芯片上都包含了脉宽调制控制器，这使得数字控制更容易实现。

基本的

脉宽调制(PWM)的基本原理:控制方式是控制逆变电路的开关器件，使输出端得到一系列幅度相等的脉冲，这些脉冲可以用来替代正弦波或所需波形。也就是说，在输出波形的半个周期内产生多个脉冲，使得每个脉冲的等效电压是正弦的，并且获得的输出是平滑的，并且具有很少的低次谐波。按照一定的规则调制每个脉冲的宽度，不仅可以改变逆变电路的输出电压，还可以改变输出频率。

在PWM波形中，每个脉冲的幅度是相等的。要改变等效输出正弦波的幅度，只需按照相同的比例因子改变每个脉冲的宽度即可。因此，在交流-DC-交流变频器中，脉宽调制逆变电路输出的脉冲电压就是DC侧电压的幅值。

根据上述原理，在给定半周期内的正弦波频率、幅值和脉冲数后，可以精确计算出PWM波形各脉冲的宽度和间隔。根据计算结果控制电路中各开关器件的通断，可以得到所需的PWM波形。

脉宽调制分类

从调制脉冲的极性来看，PWM可以分为单极性和双极性控制模式。

双极性PWM控制方式采用正负交替的双极性三角载波ut和调制波ur，无需逆变电路，通过ut与ur的比较就可以直接得到双极性PWM脉冲。

除了以上两种基于不同原理的调制方式分类外，近年来芯片直接脉宽调制已经被更多的用户接受。在信号调理领域，经常需要面对模拟信号的传输、采集和控制等问题。传统的信号链电路包括模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、运算放大器(OpAmp)、比较器等，在模拟信号处理中起着重要作用。信号链芯片的功能很基础，很强大。经过精心设计，可以形成各种优秀的信号处理电路。然而，在许多应用领域，仍然存在瓶颈和制约，不能达到理想的电路性能和指标。因此，更多创新的模拟电路处理技术和芯片产品渴望出现在信号链领域。一种新的模拟信号处理专用芯片，实现了模拟信号到脉宽调制信号的高精度转换，称为模拟-脉宽调制转换器。

谐波频谱

谐波频谱

基频fs=50Hz，载波频率fc=3kHz，调制比为0.8的SPWM波形和频谱的Matlab仿真图。

随着谐波频率的增加，总谐波幅值呈下降趋势。根据GB/T22670变频器供电的三相笼型感应电动机测试方法，变频功率发射机的带宽应大于载波频率的6倍，当载波频率为3kHz时，带宽至少应为18kHz。实际使用中建议使用带宽在30kHz以上的变频功率传感器和变频功率分析仪。

实际SPWM波的载波比不一定是整数。此时，为了减少频谱泄漏，可以适当增加傅里叶窗长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换(FFT或DFT)。

特定过程

脉宽调制是一种模拟信号电平的数字编码方法。通过使用高分辨率计数器，方波占空比空被调制以编码特定模拟信号的电平。脉宽调制信号仍然是数字的，因为在任何给定的时刻，全幅DC电源要么完全打开，要么完全关闭。电压或电流源以开或关的重复脉冲序列施加于模拟负载。当DC电源被施加到负载时，当它被打开时，它是当电源被关闭时。只要带宽足够，任何模拟值都可以用PWM编码。

大多数负载(无论感性负载还是容性负载)都需要高于10Hz的调制频率，通常调制频率在1kHz到200kHz之间。很多微控制器都包含PWM控制器。比如微芯片公司的PIC16C67包含两个PWM控制器，每个控制器可以选择导通时间和周期。空的比值是导通时间与周期的比值。调制频率是周期的倒数。在执行脉宽调制操作之前，该微处理器需要在软件中完成以下工作:

1.设置提供调制方波的片内定时器/计数器的周期

2.在脉宽调制控制寄存器中设置接通时间

3.设置脉宽调制输出的方向，这是一个通用的输入输出引脚

4.启动计时器

5.启用脉宽调制控制器

现在市面上的单片机几乎都有PWM模块功能。如果没有PWM模块功能(比如早期的8051)，也可以通过定时器和GPIO端口实现。比较通用的PWM模块控制流程是(我用过TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列):

1.启用相关模块(对应引脚的PWM模块和GPIO模块)。

2.配置脉宽调制模块的功能，包括:

①:设置PWM定时器周期，它决定了PWM波形的频率。

②:设置PWM定时器的比较值，决定PWM波形的占空比空。

③:设置死区，避免桥臂直通。一般高级单片机都有这个功能。

④:设置故障处理条件，一般故障是阻塞输出，防止功率管被过流损坏，故障一般是通过比较器、ADC或GPIO检测出来的。

⑤:设置同步功能，多桥即多PWM模块协同工作时尤为重要。

3.设置相应的中断，写ISR，一般用于电压电流采样，计算下一个周期空的比值，更改空的比值。这部分也会有PI控制功能。

4.启用脉宽调制波形生成。

优势

脉宽调制的一个优点是，从处理器到受控系统的信号是数字形式的，没有数模转换。保持信号的数字形式可以最大限度地减少噪声的影响。噪声只有在强到足以将逻辑1变为逻辑0或逻辑0变为逻辑1时，才会影响数字信号。

抗噪性的增强是PWM相对于模拟控制的另一个优势，也是某些情况下使用PWM进行通信的主要原因。从模拟信号切换到PWM可以大大延长通信距离。在接收端，调制的高频方波可以被滤除，信号可以通过适当的RC或LC网络恢复到模拟形式。总之，PWM不仅经济、省电空，而且抗噪声性能强，是一种值得工程师在很多设计应用中使用的有效技术。

检查法

采样控制理论中有一个重要结论:相同脉冲、不同形状的窄脉冲应用于惯性环节时，其效果基本相同。基于这一结论，PWM控制技术控制半导体开关器件的导通和关断，从而在输出端获得一系列等幅不等宽的脉冲，这些脉冲用来代替正弦波或其他所需波形。按照一定的规则调制每个脉冲的宽度，不仅可以改变逆变电路的输出电压，还可以改变输出频率。

脉宽调制控制的基本原理早就提出来了，但由于受电力电子器件发展水平的限制，直到20世纪80年代才得以实现。直到20世纪80年代，随着全控制电力电子器件的出现和快速发展，脉宽调制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，如现代控制理论和非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术实现了空之前的发展，出现了多种PWM控制技术。根据PWM控制技术的特点，主要有以下八种方法。

等脉宽脉宽调制方法

早期的VVVF(变压变频)装置是通过PAM(脉冲调幅)控制技术实现的，其逆变部分只能输出频率可调的方波电压，不能调压。等脉宽脉宽调制法就是为了克服脉冲幅度调制法的这一缺点而发展起来的，是最简单的脉宽调制方法之一。它以等宽度的脉冲串作为PWM波，通过改变其周期来达到调频的效果。电压可以通过改变脉宽或空的比例来调节，电压和频率可以通过采用适当的控制方法来协调变化。与PAM法相比，该方法具有简化电路结构、提高输入端功率因数的优点，但同时输出电压除基波外还含有较大的谐波成分。

随机脉宽调制

从20世纪70年代到80年代初，由于大功率晶体管以双极型达林顿晶体管为主，载波频率一般不超过5Hz，电机绕组的电磁噪声和谐波引起的振动引起了人们的关注。为了改进，随机PWM法应运而生。其原理是随机改变开关频率，使电机的电磁噪声接近带限白噪声(在线性频率坐标系中，各频率的能量分布是均匀的)。虽然噪声的总分贝数保持不变，但以开关频率固定为特征的有色噪声强度大大减弱。正因为如此，即使IGBT得到了广泛的应用，当载波频率必须限制在较低的频率时，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面，说明消除机械和电磁噪声的最好方法是不要盲目增加工作频率。随机PWM技术为分析和解决这一问题提供了新的途径。

SPWM方法

正弦脉宽调制是一种成熟的脉宽调制方法，目前应用广泛。上述采样控制理论中的一个重要结论是，当惯性环节加入等冲量不同形状的窄脉冲时，效果基本相同。基于这一结论，SPWM方法采用脉宽按正弦规律变化且等效于正弦波的PWM波形，即SPWM波形来控制逆变电路中开关器件的通断，使输出脉冲电压的面积等于对应区间内所需正弦波的面积。通过改变调制波的频率和幅度，可以调节逆变电路输出电压的频率和幅度。SPWM是指变频电源输出幅度相等，序列脉冲与空比值按照正弦函数规律变化的调制方式。正弦函数值越大，对应脉冲与空的比值越大，相邻脉冲之间的间隔越小。相应地，正弦函数值越小，脉冲与空的比值越小，相邻脉冲之间的间隔越大。实现这种方法有几种方案。

等面积法:其实这个方案是对SPWM原理的直接解释，用等幅但不等宽的相同数量的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算每个脉冲的宽度和间隔，将这些数据存储在微机中，通过查表产生PWM信号来控制开关器件的通断，从而达到预期的目的。由于这种方法是基于SPWM控制的基本原理，可以准确计算出各个开关器件的通断时间，得到的波形接近正弦波，但存在计算繁琐、数据占用内存大、没有实时控制等缺点。

硬件调制法:硬件调制法是为了解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的。其原理是将所需波形作为调制信号，将调制后的信号作为载波，通过调制载波得到所需的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，得到SPWM波形。实现方法简单，通过模拟电路可以形成三角波载波和正弦调制波的产生电路，通过比较器可以确定两者的交点，通过控制交点处开关器件的通断可以产生SPWM波。但是这种模拟电路结构复杂，很难实现精确控制。

软件生成方法:随着微机技术的发展，用软件生成SPWM波形更容易，于是软件生成方法应运而生。软件生成法实际上是一种通过软件实现调制的方法，有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

自然采样法:将正弦波作为调制波，等腰三角波作为载波进行比较，在两个波形的自然交点处控制开关器件的通断，称为自然采样法。其优点是SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波和正弦波的交点是任意的，所以脉冲中心在一个周期内不是等距的，所以脉宽表达式是超越方程，计算复杂，难以实时控制。

规则采样法:规则采样法是一种应用广泛的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理是用三角波对正弦波进行采样，得到阶梯波，然后在阶梯波和三角波的交点处控制开关器件的通断，从而实现SPWM方法。当三角波只在其顶点(或底点)采样正弦波时，由阶梯波和三角波的交点确定的脉冲宽度在一个载波周期(即采样周期)内是对称的。这种方法叫做对称规则采样。当三角波在其顶点和其底点都采样正弦波时，由阶梯波和三角波的交点确定的脉冲宽度在一个载波周期(此时是采样周期的两倍)内一般是不对称的。这种方法叫做非对称规则抽样。规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点是计算简单，便于在线实时操作，其中非对称规则采样法由于阶数多，更接近正弦。其缺点是DC电压利用率低，线性控制范围小。以上两种方法仅适用于同步调制模式。

低次谐波消除法:低次谐波消除法旨在消除PWM波形中一些主要的低次谐波。其原理是根据傅里叶级数展开输出电压波形，表示为u(ωt)= ansinωt，先确定基波分量a1的值，再做两个不同的an=0。可以同时建立并求解三个方程，得到a1、a2和a3，从而消除两个频率的谐波。虽然这种方法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余的未消除的低次谐波的幅度可能相当大，并且它还具有计算复杂的缺点。该方法也仅适用于同步调制模式。

梯形波和三角波的比较方法:上面介绍的方法的主要目的是输出波形尽可能接近正弦波，从而忽略了DC电压的利用率。比如SPWM法，其DC电压利用率只有86.6%。因此，为了提高DC电压的利用率，提出了一种新的方法& # 8211；梯形波与三角波的比较。该方法采用梯形波作为调制信号，三角波作为载波，两种波的幅度相等。开关器件由两个波的交点控制，实现PWM控制。当梯形幅值和三角形幅值相等时，基波分量的幅值已经超过三角形幅值，可以有效提高DC电压的利用率。但是梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形含有五阶和七阶低次谐波。

线电压控制脉宽调制

在三相逆变电路中使用上述介绍的PWM控制方法时，都是控制三相输出的相电压，使输出接近正弦波。但对于三相异步电动机这种没有中性点对称的三相负载，逆变器输出不需要追求接近正弦的相电压，可以专注于使线电压趋于正弦波。因此，提出了线电压控制PWM，主要包括以下两种方法。

鞍波和三角波比较法:鞍波和三角波比较法又称谐波注入PWM方式(HIPWM)。其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制后的信号将呈马鞍形，幅度明显减小。因此，当调制信号的幅度不超过载波幅度时，基波幅度可以超过三角幅度，并且可以提高DC电压的利用率。在三相无零线系统中，由于三次谐波电流没有通路，所以三次谐波不包含在三条线路的电压和电流中。除了三次谐波，还可以注入比正弦波信号高3倍的其他波形，这些信号不会影响线路电压。这是因为，在脉宽调制调制之后，逆变器电路输出的相电压还必须包含相应的谐波，这些谐波被正弦波信号相乘。但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波会相互抵消，使线电压仍然是正弦波。

单位脉宽调制法:由于三相对称线的电压具有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系，所以任意时刻一条线的电压等于另外两条线的负值之和。现在，一个周期分为六个区间，每个区间60度。对于某个线电压，比如Uuv，半周两边60度的间隔用Uuv本身表示，中间60度的间隔用-(Uvw+Uwu)表示。当Uvw和Uwu同样处理时，可以得到三相线电压波形在半周内只有两侧60度的两种波形，分别为正和负。将这种电压波形作为脉宽调制的参考信号，用三角波作为载波，用直线逼近每个区间的曲线，就可以得到线电压的脉冲波形(实践表明，由此引起的误差不大，完全可行)。波形完全对称，规律性强，负半周是正半周对应脉冲串的反相。因此，一旦确定了半周两侧60°间隔的脉冲串，就可以得到线电压的调制脉冲波形。该脉冲不是开关器件的驱动脉冲信号，但是由于三相线电压的脉冲工作模式是已知的，所以可以确定开关器件的驱动脉冲信号。这种方法不仅可以抑制更多的低次谐波，而且可以降低开关损耗，拓宽线性控制范围。同时可以给微机控制带来方便。但是这种方法只适用于异步电机，适用范围较小。

电流控制脉宽调制

电流控制PWM的基本思想是以期望的输出电流波形作为命令信号，以实际电流波形作为反馈信号。通过比较两者的瞬时值，确定各开关器件的通断，实际输出随命令信号的变化而变化。主要有三种实现方案。

滞环比较法:这是一种带反馈的PWM控制方式，即通过滞环比较器反馈各相电流并与电流给定值进行比较，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使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成分。其缺点是开关频率不固定，造成噪音严重。与其他方法相比，在相同的开关频率下，输出电流中的谐波更多。

三角波比较法:这种方法不同于SPWM方法中的三角波比较法。这里，将命令电流与实际输出电流进行比较，并计算偏差电流。经放大器放大后，与三角波进行比较，产生PWM波。此时开关频率恒定，克服了滞环比较法频率不固定的缺点。然而，这种方式的电流响应不如滞后比较法快。

预测电流控制方法:预测电流控制在每个调节周期开始时，根据实际电流误差、负荷参数等负荷变量，预测电流误差矢量的趋势。所以下一个调节周期的PWM产生的电压矢量一定会降低预测误差。这种方法的优点是，如果给调节器除了误差之外更多的信息，它可以得到更快、更准确的响应。这种调节器的局限性在于响应速度和过程模型系数参数的准确性。

电压矢量控制在空之间

空之间的电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。在三相波形整体产生效果的前提下，以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为目标，利用逆变器不同切换方式产生的实际磁通逼近参考圆形磁通，通过两者的比较结果决定逆变器的切换，形成PWM波形。这种方法从电机的角度把逆变器和电机看成一个整体，用内接多边形逼近圆来控制电机，使电机获得恒定幅度的圆形磁场(正弦磁通)。具体方法分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法利用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效电压矢量。如果采样时间足够短，任何电压矢量都可以合成。与正弦波调制相比，该方法的输出电压提高了15%，谐波电流有效值之和接近最小值。磁通反馈以闭环方式引入，以控制磁通的大小和变化速度。在将估计的磁通量与给定的磁通量进行比较之后，根据误差判定生成下一个电压矢量，以形成脉宽调制波形。该方法克服了磁通开环法的缺点，解决了电机低速时定子电阻影响大的问题，降低了电机的脉动和噪声。然而，由于没有引入扭矩调节，系统的性能没有得到根本改善。

矢量控制脉宽调制

矢量控制也称为面向场控制。其原理是通过三相/两相变换将三相坐标系下异步电动机的定子电流Ia、Ib、Ic转换为两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，然后通过转子磁场定向旋转变换将其转换为DC电流Im1、It1(Im1同步旋转坐标系(Im1相当于DC电动机的励磁电流；It1相当于电枢电流与转矩成正比)，然后模仿DC电机的控制方法实现对交流电机的控制。交流电机本质上相当于DC电机，速度和磁场两个分量是独立控制的。通过控制转子磁链，然后分解定子电流，得到转矩和磁场两个分量，通过坐标变换实现正交或解耦控制。但由于转子磁链难以精确观测，矢量变换复杂，实际控制效果往往难以达到理论分析效果，这是矢量控制技术在实践中的不足。另外，必须直接或间接获得空之间转子磁链的位置，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，这显然给许多应用带来不便。

直接转矩控制脉宽调制

1985年，德国鲁尔大学的德彭布罗克教授首次提出了直接转矩控制(简称DTC)理论。直接转矩控制与矢量控制的不同之处在于，它不通过控制电流和磁链来间接控制转矩，而是作为受控量直接控制转矩。它不需要对电机模型进行解耦，而是在静态坐标系中计算电机磁链和转矩的实际值，然后通过磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行优化控制。因此，上述矢量控制的缺点在很大程度上得到了解决，可以方便地实现无速度传感器、高转矩响应速度以及高速度和转矩控制精度。凭借新颖的控制思想，简单明了的系统结构和优良的动静态性能得到了迅速发展。然而，直接转矩控制也有一些缺点，如提高逆变器开关频率的局限性。

非线性控制脉宽调制

单周控制方法，又称积分复位控制(IRC)，是一种新型的非线性控制技术。其基本思想是控制空的开关比，使开关变量的平均值等于或正比于每个周期的控制参考电压。该技术同时具有调制和控制的两重性，通过复位开关、积分器、触发电路和比较器实现对命令信号的跟踪。单周期控制器由控制器、比较器、积分器和时钟组成，其中控制器可以是RS触发器。

单周期控制不需要控制电路中的误差合成，它可以自动消除一个周期内的稳态和瞬态误差，使前一个周期的误差不会带到下一个周期。虽然硬件电路复杂，但它克服了传统脉宽调制控制方法的缺点，适用于各种脉宽调制软开关逆变器。它具有响应速度快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点。此外，单周控制可以优化系统响应，减少失真，抑制功率干扰，是一种很有前途的控制方法。

谐振软开关脉宽调制

在传统的PWM逆变电路中，电力电子开关器件的硬开关模式、较大的开关电压和电流应力、较高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高，高频是电力电子的主要发展趋势之一，可以减小变换器的尺寸、重量、成本、性能和振动(尤其是开关频率在18kHz以上时)，从而使无噪声传输系统成为可能。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增加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成。开关时，谐振网络使电力电子器件在开关点实现软开关过程，谐振过程很短，基本不影响PWM技术的实现。因此，既保持了PWM技术的特点，又实现了软开关技术。但由于电路中谐振网络的存在，必然会产生谐振损耗，电路会受到固有问题的影响，限制了这种方法的应用。

应用区域

伺服系统

脉宽调制可用于控制伺服机构。

电信

在电信应用中，脉宽调制是一种信号调制形式，其脉宽对应于另一种特定的数据，这些数据将在发送端编码，在接收端解码。不同长度的脉冲(要传输的消息本身)将以固定的间隔(载波频率)传输。

能量转移

脉宽调制(PWM)可以用来控制有多少能量转移到一个载波上，而没有阻抗引起的线性能量转移损耗。这种方法的代价是载流子损失的能量不是常数，是不连续的(比如buck变换器)，载流子传递的能量也是不连续的。然而，由于载波可能具有高频电感，因此必须添加无源电子滤波器来使这些脉冲波平滑并恢复平均模拟波形，以便流入载波的能量可以是连续的。从供电端流出的能量不是连续的，所以大多数情况下需要额外的储能空。