PWM技術與電機數字化控制研究

楊輝

（深圳市車安科技發展有限公司，廣東 深圳 518000）

目前，人們的生活水平不斷提高，逐漸對機電行業的發展重視起來。同時，隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展，促進了電氣傳動的技術革命。其中，PWM技術利用電力電子器件，通過調節電樞電壓來控制調節直流電動機的轉速，是利用單片機來實現直流電機的數字化控制，同時，具有精度高、響應快、結構簡單、系統輸出電壓和電流穩定以及能耗低等優點，使電動機驅動控制實現數字化成為了現實。

1 PWM研究現狀

電子技術的現代化發展使PWM技術在電機控制中的應用表現為數字化形式，并在電力行業中得到廣泛應用。在其實際應用過程中，人們發現PWM技術存在一定不足之處，影響了其性能的發揮。其中，最主要的問題就是對電機中器件的補償，且這種補償特性并不理想。其補償主要包括控制延時、死區以及開關時間等。死區對PWM應用中輸出電壓有較大影響，是PWM技術性能能否實現的關鍵。死區對電壓的影響不是單一因素，而是多個方面的。受死區影響，輸出電壓會與標準產生一定偏差，導致PWM基波電壓的幅值和相位無法達到理想值。死區同樣對其諧波有較大影響。在其運行中，死區主要產生低次諧波，這種諧波的出現會使電機輸出功率增大，從而使其轉矩脈動改變。要想使電機控制系統成功實現數字化，提高PWM性能，需要重視非理想特性特別是死區產生的影響，并采取有效補償措施，使電機運行控制達到理想狀態。

2 PWM技術具體應用

PWM技術的應用促進了電力行業的發展，給電力電子技術帶來了新的發展方向，實現了電機系統的有效控制。PWM技術主要在以下方面有著良好的應用效果。

2.1 直流斬波電路

該電路是PWM技術應用的早期電路，在長期發展中已經得到了較好的完善，技術較為成熟。通常應用于直流電機中，將其與電機調速系統相結合，可以構成直流PWM電路。

2.2 交流變流電路

PWM技術在該類型電路中的應用主要包括矩陣式變頻以及斬控式，這兩種電路是PWM技術應用典型，在目前階段仍然應用較少。但與其他電路相比，矩陣式電路有較好的集成可能性，因此，具有較高的應用價值，值得推廣與發展。

2.3 逆變電路

逆變電路是所有電路類型中對PWM技術應用最多的電路，最具有典型性。PWM技術在逆變電路中的普及使其在電機控制系統中的地位得到確定。現如今，除去某些功率過大的電路，逆變電路普遍使用PWM技術進行控制。

2.4 整流電路

PWM整流電路是PWM技術在整流電路中的應用，屬于PWM技術從逆變電路向整流電路的發展。現階段，整流電路中PWM控制技術的應用已經得到一定普及，其應用前景較好。

圖1 用PW M波代替正弦半波

3 PWM技術應用優勢

在電機驅動系統中，其驅動控制的實現主要通過PWM技術對脈沖輸入信號參數的改變。根據需求對信號開關時間進行設定，從而調節輸出信號，使電機的定位、調速等環節得到有效控制。在實際應用過程中人們發現，脈沖信號的開關有兩種控制方式：①PFM技術。保持導通信號寬度不變，通過脈沖周期與開關頻率的變化實現對負載電壓的影響。②PWM技術。改變信號寬度，使負載電壓產生變化，同時，保持信號周期與開關頻率不變。PFM控制技術使脈沖頻率產生較大的改變。當其頻率處于較高狀態，會使器件出現嚴重損耗，影響其使用壽命；而較低的頻率極易對人體聽覺器官產生影響，使人感受到較大的噪聲。其控制效率受器件關斷速度的影響，不易實現功能的充分發揮。如果脈沖頻率具有特殊性，則會使電機系統出現機械諧振問題，對設備內部造成影響，使其音頻出現嘯叫，系統發生振蕩，不利于實現有效的電機驅動控制。PWM控制技術在應用中，其脈沖頻率不發生變化，因此，能夠有效避免以上問題的出現，且PWM技術不需要改變開關頻率，可以使因器件開關問題而導致的電磁干擾有效消除。PWM技術已經在電機驅動控制系統中得到廣泛應用。

4 PWM控制技術的基本原理

4.1 理論基礎

對采樣控制理論進行使用時，可以得到的一個重要理論為沖量相等，但是運作形式有差異的窄脈沖在具備慣性的環節上基本的效果是相同的，其中的沖量指的是窄脈沖的面積，在作用的效果上基本一致，即窄脈沖的輸出響應的波形很相似。低頻段上的數據顯示也是非常接近的，唯一存在差異的位置在高頻段上。所以，研究人員將這種采樣控制形式稱為面積等效原理，這種原理是PWM控制理論使用的主要參考。用一系列等幅而不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，把正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；矩形脈沖代替，脈沖等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規律變化。如圖1所示。將該等幅而不等寬的脈沖施加于被控對象上，可以起到對被替代的正弦半波的控制效果。這些等幅而不等寬的脈沖即PWM波形。這種脈沖的寬度按正弦規律變化且與正弦波沖量等效的PWM波形也被稱為SPWM波形。

4.2 PWM逆變電路載波調制法

目前，電機驅動中的PWM技術是中小逆變功電路運行中較為受歡迎的一種。原因是這種技術可以通過等腰三角波或鋸齒波作為載波的進行數據整理過程中的調制。這其中的等腰三角波技術應用的頻率較高，原因是這種技術的優勢在實際應用過程中較為明顯，其中，任何一點水平寬度或高度的線性平衡狀態出現問題后，等腰三角波都有對應的方法進行處理，等腰三角波在線性關系上的平衡占有優勢以外，還左右對稱。與平緩的調制信號相交以后，可以在實際運行中的控制器上進行通斷處理，進而得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。這種波幅在應用的過程中符合PWM技術適配上的要求。以正弦波狀態的模式運行的調制信號，就是SPWM波；如果調制信號不是正弦波，而是其他形式的波形，也可以得到等效PWM波。

5 結論

綜上所述，現代電機控制的發展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本；另一方面，又不斷有技術指標及其苛刻的特殊應用的系統需求出現。筆者相信，隨著人們對計算機控制技術應用的不斷深入，將帶動電動機系統的飛速發展，接下來仍要我們不斷學習新的電力電子技術，實現PWM技術的完善與發展，從而為電機驅動水平提升提供條件。

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