一文看懂PWM控制原理及电路应用详解
扫描二维码
随时随地手机看文章
PWM(脉冲宽度调制)是用脉冲来输出模拟信号的一种技术，其通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以产生等效的目标波形，广泛应用于测量、通信、开关电源、电机控制等领域。
PWM是什么?
PWM全称为Pulse width modulation(脉冲宽度调制)，相信各位网友都非常熟悉了。笔者曾在大学2年级就已经掌握了PWM的使用方法，但是直到工作多年后才渐渐熟悉他的真正应用及设计初衷，感叹当时自己的无知。PWM在电力电子领域应用非常广泛，是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种有效的技术;比如升压，降压，AD-DC，DC-AC都离不开它的应用，广泛应用于电动汽车充电，高铁，飞机，变频器，UPS，光伏逆变器，电机控制等等。
PWM(Pulse-width modulation)是脉冲宽度调制的缩写。脉冲宽度调制是一种模拟信号电平数字编码方法。脉冲宽度调制PWM是通过将有效的电信号分散成离散形式从而来降低电信号所传递的平均功率的一种方式。所以根据面积等效法则，可以通过对改变脉冲的时间宽度，来等效的获得所需要合成的相应幅值和频率的波形。实现模拟电路的数字化控制可显著降低系统成本和功耗。许多微控制器和数字信号处理器 (DSP) 已包括了 PWM控制器芯片，因此可以更轻松地实施数字化控制。PWM信号是通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。
基本原理
PWM控制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术。即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。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波可以分为幅值相同和不同的PWM波，由于微控制输出的电平一般都是固定的，所以一般调整微控制器输出矩形脉冲的占空比，就可以输出等辅不等宽的PWM波。这对微控制来说是方便的，易于实现的。
WM是一种技术手段，PWM波是在这种技术手段控制下的脉冲波，如果你不理解是把握不住PWM波的!
PWM全称Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制(简称脉宽调制，通俗的讲就是调节脉冲的宽度)，是电子电力应用中非常重要的一种控制技术，在理解TA之前我们先来了解几个概念 。
本文将对PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用进行分享。
一、PWM基本控制原理
1、理论基础
面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。其中“冲量”是指窄脉冲的面积，而“效果基本相同”是指环节的输出响应波形基本相同。
所施加的脉冲越窄，输出响应的波形差异越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅里叶级数进行响应信号分解后可知，响应在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
2、控制原理
基于面积等效原理，PWM通过对一系列脉冲宽度进行调制，产生与目标波形脉冲冲量相等的窄脉冲波形，从而实现目标波形(含形状和幅值)的等效。
这里以常用的正弦半波等效为例进行调制过程介绍：
这样，即可获得与正弦半波等效的一系列PWM波形——SPWM波形，SPWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化。
除了正弦波外，PWM技术还可对直流以及非正弦交流等波形进行等效，其基本原理与SPWM控制相同，都是基于面积等效原理。
二、PWM技术应用
PWM斩波电路与PWM逆变电路是PWM技术的最典型的两种电路应用。
目前，实际应用的逆变电路中绝大部分是PWM型，而在直流电动机调速中PWM斩波电路得到了广泛应用。此外，基于PWM技术的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路在交流-交流变换领域中均有应用。
下面对典型的直流斩波电路以及PWM逆变电路进行介绍。
1、直流斩波电路
常用的直流斩波电路有：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk斩波电路以及Sepic斩波电路等。
这里以Buck直流斩波电路为例进行讲解，电路结构如下图所示：
当器件处于导通状态时，电源向负载供电，并给电容充电，二极管电压VD=Vin;当器件处于关断状态时，电容给负载供电，二极管电压近似为0。
若周期性的给开关器件开通与关断信号，输出电压波形如右图所示。电源在导通时间ton内被接通，在关断时间T- ton内被截断，因此也称为斩波。
输出电压的平均值为：
2、PWM逆变电路
常用的PWM逆变电路控制方法有计算法与调制法两种。其中，计算法过程繁琐且当输出正弦波形变化时需要重新进行计算，因此常用调制法进行PWM逆变电路控制。
下面对单相桥式逆变电路的SPWM调制过程以及三相桥式逆变电路的SVPWM调制过程进行讲解。
▍单相桥式逆变电路
将期望的输出信号作为调制信号，采用等腰三角波或锯齿波作为载波信号，以两种信号的交点控制开关器件的通断，将得到一系列宽度正比于信号波幅值的PWM脉冲。
具体调制过程如下：
开关器件V1保持导通，V2与V3保持关断，V4根据调制波与载波之间的关系交替导通。
当|Ur|>|Uc|时，V4开通，负载电压Uo=Ud;当|Ur|<|Uc|时，V4关断，负载电流将通过二极管D3续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和Ud电平交替的波形。
在调制信号ur负半周时：
开关器件V2保持导通，V1与V4保持关断，V3根据调制波与载波之间的关系交替导通。
当|Ur|>|Uc|时，V3开通，负载电压Uo=-Ud;当|Ur|<|Uc|时，V3关断，D4续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和-Ud电平交替的波形。
在调制信号波ur一个整周期内，逆变器输出的PWM波形由±Ud和0三种电平构成。
▍三相桥式逆变电路
SPWM是通过在电机定子中通入相位互差120°的正弦波，从而在空间上产生一个旋转磁动势带动转子旋转。而SVPWM的则是通过设置开关管的通断在电机中形成一个旋转的电压矢量，从而产生一个旋转的磁动势。
SVPWM的具体实施方法如下：
电路由六个开关器件构成，上下管为一组形成三个半桥电路，同一半桥的上下桥臂不能同时导通或断开。
定义上桥臂导通，下桥臂关断时状态为1，上桥臂关断，下桥臂导通时状态为0，则可以得到8种电压状态(000、100、110、010、011、001、101、111)。其中，000与111为零矢量，其他六种为非零电压矢量，将空间电压矢量图划分为6个扇区。
首先，根据转子的位置和采集的电流数据来确定需要给定的Uα和Uβ值，接着确定由Uα和Uβ合成的电压U所处的扇区。
然后，根据确定的扇区选择合成电压U所需的电压矢量(U1~U6)，并依据矢量合成的关系计算出开关器件的保持时间。
最后，根据这些计算结果控制开关器件的通断，以实现预期的电压U输出。
若将PWM控制技术应用于不同的电力拓扑，控制信号的调制方式会有所差异。
常用的调制方式包括：移相调制、脉冲频率调制、脉冲宽度调制、单极性倍频调制和双极性调制等，这些调制方式在PPEC数字电源控制芯片中均有成熟的封装可直接应用，为数字电源研发提供了高效、稳定、可靠的解决方案。
接下来我们对部分常用电力拓扑的调制方式进行介绍：
▍移相全桥拓扑：采用移相调制方式，通过调节桥臂开关器件PWM信号的相位差(即移相角)，改变原边输出电压占空比，从达到调节输出电压的目的。
逆变/整流拓扑：常采用单极倍频调制及双极性调制方式。单极倍频调制采用两个基波信号(ug 、-ug)与载波信号交截得到两个调制信号，两个信号相互作用产生单极倍频调制信号。双极性调制信号由一个基波与载波交截产生，其波形在半个基波周期内有正有负。
buck-boost拓扑：常采用脉冲宽度调制(PWM)及脉冲频率调制(PFM)方式。PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现输出电压调节。PFM通过调节开关频率以实现输出电压调节。
PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用就分享到这里了。需要注意的是，尽管PWM控制技术简化了电力变换过程，具有稳定性好、效率高、可靠性高等优点，但PWM技术的实现对开关器件的要求较高且电路噪声较大。因此，在应用中大家要根据实际需求选择合适的控制方式。
PWM应用的优势
脉冲宽度调制PWM相比模拟控制具有多项优势。
例如，使用 PWM控制灯的亮度，灯散发的热量将低于模拟控制 (因为模拟控制会将电流转换为热量)，因此传送到负载 (光) 的功率较低， 这可以延长负载的生命周期。如果使用较高的频率，则能够像模拟控制一样顺畅地控制光 (负载) 亮度。
如果使用 PWM控制转子，则转子能够以较低的速度运转。在使用模拟电流控制转子时，低转速情况下无法生成足够的扭矩。微小电流生成的电磁场不足以转动转子。相比之下，PWM 电流能够生成一个满能量的磁通短脉冲，足以支持转子低速转动。
将接通 (ON)/断开 (OFF) (1/0) 状态与不同的电压和占空比结合，PWM能够输出预定的电压电平，并能够为许多应用充当稳压器。如果需要的电压电平高于输出电压电平，则选 用接通 (ON) (1)状态; 而如果需要的电压电平低于输出电压电平，则选用断开 (OFF) (0) 状 态。例如，当使用复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 进行简单的电压调整，或现场可编程门 阵列 (FPGA) 使用内部数字信号处理 (DSP) 模块实施复杂控制算法时，可以应用 PWM。
此外，使用 PWM 可以实现整个控制电路的数字化，从而避免在控制电路中使用数模转换器。PWM 生成的数字控制线可降低电路对干扰的灵敏度。随着 PWM控制器在各种低成本微处理器中的部署持续增加，PWM 的使用也已经变得随处可见。微处理器可以使用简单的命令来改变 PWM 控制信号的占空比和频率。由于数字信号受噪声的影响极小，PWM在通信领域也得到了广泛应用。
下载文档
