PWM、SPWM法、線電壓控制PWM控制方法

PWM(Pulse Width Modulation)控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。面積等效原理是PWM技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。一種典型的PWM控制波形SPWM：脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。而和正弦波等效的PWM波形稱為SPWM波。脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 [1]PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾(EMD)源，它產(chǎn)生的EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號(hào)會(huì)變得更加強(qiáng)烈和復(fù)雜。

PWM控制(脈沖寬度調(diào)制)的基本原理

控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

脈沖寬度調(diào)制的簡介

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制的發(fā)展背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

脈沖寬度調(diào)制的特點(diǎn)

PWM的特點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離，在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

控制方法

等脈寬PWM法

等脈寬PWM法是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，通過改變其周期，達(dá)到調(diào)頻的效果，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。

隨機(jī)PWM

在20世紀(jì)70年代開始至20世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注，為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。

SPWM法

SPWM法是一種比較成熟的，如今使用較廣泛的PWM法，前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同的。

線電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無中線對(duì)稱負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦。

電流控制PWM

電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。

應(yīng)用領(lǐng)域

電信

在電信使用上，脈沖寬度調(diào)制是一種信號(hào)調(diào)制的形式，其脈沖波的寬度對(duì)應(yīng)到另一個(gè)特定資料會(huì)在傳送端被編碼，并于接收端解碼，不同長度的脈沖波將會(huì)每隔固定的時(shí)間后被傳遞。

能量的傳遞

脈沖寬度調(diào)制可以被用來控制對(duì)于一個(gè)載流子能量傳遞的多寡，而不會(huì)產(chǎn)生由阻抗所造成的線性能量傳遞損失，此方法所需要付出的代價(jià)是，載流子所流失的能量并非一個(gè)常數(shù)且是不連續(xù)的，載流子上傳遞的能量也不是連續(xù)的。

PWM控制的工作方式主要包括以下兩種：

恒頻調(diào)寬法：這種方法保持PWM信號(hào)的頻率不變，通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的大小。這種方式簡單易行，適用于對(duì)輸出電壓或電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的場合。

調(diào)頻調(diào)寬法：這種方法同時(shí)改變PWM信號(hào)的頻率和占空比，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。在需要快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)的場合，調(diào)頻調(diào)寬法具有更好的性能。

PWM控制的應(yīng)用領(lǐng)域

PWM控制技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：

電機(jī)控制：PWM控制技術(shù)可以用于電機(jī)的速度控制、位置控制以及力矩控制等。通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。

電源變換器：PWM控制技術(shù)可以用于電源變換器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的精確控制。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備中，如UPS電源、開關(guān)電源等。

照明控制：在LED照明系統(tǒng)中，PWM控制技術(shù)可以用于調(diào)節(jié)LED的亮度。通過改變PWM信號(hào)的占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同場合的照明需求。

音頻處理：在音頻放大器中，PWM控制技術(shù)可以用于提高音頻信號(hào)的保真度和動(dòng)態(tài)范圍。通過對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制和解調(diào)處理，可以消除音頻信號(hào)中的噪聲和失真，提高音質(zhì)。

四、PWM控制的主要優(yōu)勢

PWM控制技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

精確控制：PWM控制技術(shù)可以通過改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓或電流的精確控制，具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性。

高效節(jié)能：PWM控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，減少能量損耗和浪費(fèi)。在電機(jī)控制、電源變換器等領(lǐng)域中，PWM控制技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)能性能。

抗干擾性強(qiáng)：PWM控制技術(shù)采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在噪聲干擾較大的環(huán)境中，PWM控制技術(shù)可以保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

易于實(shí)現(xiàn)：PWM控制技術(shù)可以通過微控制器等數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)，具有易于實(shí)現(xiàn)和靈活配置的優(yōu)點(diǎn)。這使得PWM控制技術(shù)在各種電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。