1.PWM基本瞭解

PWM但邊沿雙邊沿的區別和聯繫

 PWM裏面單邊沿和雙邊沿的提法，只是LPC176X處理器中的兩個PWM控制模式。單邊沿模式的起始狀態總是高電平。單邊沿模式只需要設置兩
個寄存器，一個決定PWM週期，另一個決定週期中間由高電平翻轉到低電平的時間。在一個PWM週期中間只有一個下降沿，所以稱爲單邊沿模式
。雙邊沿模式則需要設置3個寄存器，一個決定PWM週期，另兩個寄存器決定在週期中間電平狀態翻轉的兩個時間點。這樣在一個PWM週期中間
就會出現兩個邊沿，所以稱爲雙邊沿模式。在實現控制算法的時候，雙邊沿模式有一定的靈活性。一般用單片機實現PWM並不一定需要考慮這
兩種模式。

　 脈寬調製(PWM:(Pulse Width Modulation):數字對模擬信號高效的控制

　　簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的佔空比被調製用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因爲在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要麼完全有(ON)，要麼完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重複脈衝序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

PWM優點

1.被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持爲數字形式可將噪聲影響降到最小。抗噪聲

 2.相對模擬信號的缺點，可以作爲載波傳輸信號，穩定性好，增強通信距離在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調製高頻方波並將信號還原爲模擬形式。

3.PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點，在交流傳動和能量變換系統使用。

PWM起源發展

最初：模擬電路完成三角調製波和參考正弦波比較（達林頓管）

目前：採用全數字化方案

PWM分類

正弦PWM：（包括電壓，電流或磁通的正弦爲目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸於此類），優化PWM及隨機PWM。正弦PWM已爲人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；（實現功能）

 優化PWM：所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。（高效優化）

　70至80年代，由於當時大功率晶體管主要爲雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。爲求得改善，隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似爲限帶白噪音（在線性頻率座標系中，各頻率能量分佈是均勻的），儘管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率爲特徵的有色噪音強度大大削弱，使用在低頻較多。

常見幾種PWM控制方法

　理論基礎：　採樣控制理論中有一個重要結論:衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同.

  1 相電壓控制PWM

• 　　1.1 等脈寬PWM法[1]

目標：“VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是採用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現的,

功能：逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓.等脈寬PWM法正是爲了克服PAM法的這個缺點發展而來的,是PWM法中最爲簡單的一種.它是把每一脈衝的寬度均相等的脈衝列作爲PWM波,通過改變脈衝列的週期可以調頻,改變脈衝的寬度或佔空比可以調壓,採用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化.相對於PAM法,

優點：是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數,缺點：同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量.

 

• 　　1.2 隨機PWM

目標：0年到80年,由於當時大功率晶體管主要爲雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注.隨機PWM方法應運而生.其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似爲限帶白噪聲(在線性頻率座標系中,各頻率能量分佈是均勻的),

優點：儘管噪音的總分貝數未變,但以固定開關頻率爲特徵的有色噪音強度大大削弱.減少運轉的噪聲

收穫：;另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術正是提供了一個分析,解決這種問題的全新思路.

• 　　1.3 SPWM法

目標：　SPWM(Sinusoidal PWM)與前面提到的採樣控制理論中的一個重要結論:衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結論爲理論基礎,用脈衝寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈衝電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等,通過改變調製波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現有以下幾種方案.

　　1.3.1 等面積法

目標：　用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈衝序列代替正弦波,然後計算各脈衝的寬度和間隔,並把這些數據存於微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由於此方法是以SPWM控制的基本原理爲出發點,

優點：可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,

缺點：但其存在計算繁瑣,數據佔用內存大,不能實時控制的缺點.

　　1.3.2 硬件調製法

目標：硬件調製法是爲解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作爲調製信號,把接受調製的信號作爲載波,通過對載波的調製得到所期望的PWM波形.通常採用等腰三角波作爲載波,當調製信號波爲正弦波時,所得到的就是SPWM波形.

優點：其實現方法簡單,可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調製波發生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.

缺點：這種模擬電路結構複雜,難以實現精確的控制.

　　1.3.3 軟件生成法

　　由於微機技術的發展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現調製的方法,其有兩種基本算法,即自然採樣法和規則採樣法.

　   　1.3.3.1 自然採樣法[2]

　　以正弦波爲調製波,等腰三角波爲載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然採樣法.其優點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由於三角波與正弦波交點有任意性,脈衝中心在一個週期內不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制.

　   　1.3.3.2 規則採樣法[3]（學習）

　　規則採樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般採用三角波作爲載波.其原理就是用三角波對正弦波進行採樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷,從而實現SPWM法.

規則採樣：當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行採樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波週期(即採樣週期)內的位置是對稱的

.非對稱規則採樣:.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行採樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波週期(此時爲採樣週期的兩倍)內的位置一般並不對稱,

　　優點：規則採樣法是對自然採樣法的改進,其主要優點就是是計算簡單,便於在線實時運算,

        缺點：其中非對稱規則採樣法因階數多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制範圍較小.

以上兩種方法均只適用於同步調製方式中.

　　1.3.4 低次諧波消去法[2]

　　低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波爲目的的方法.其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開,表示爲u(ωt)=ansinnωt,首先確定基波分量a1的值,再令兩個不同的an=0,就可以建立三個方程,聯立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波.

　　該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩餘未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大,而且同樣存在計算複雜的缺點.該方法同樣只適用於同步調製方式中.

　　1.4 梯形波與三角波比較法[2]

　上述辦法

優點：以輸出波形儘量接近正弦波爲目的

缺點：直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅爲86.6%.

解決辦法：梯形波與三角波比較法.該方法是採用梯形波作爲調製信號,三角波爲載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現PWM控制.（研究開關電源PWM生成器）

　　由於當梯形波幅值和三角波幅值相等時,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由於梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.

　　2 線電壓控制PWM

　　前面所介紹的各種PWM控制方法用於三相逆變電路時,都是對三相輸出相電壓分別進行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對於像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦,而可着眼於使線電壓趨於正弦.因此,提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法.

　　   2.1 馬鞍形波與三角波比較法

　　馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調製信號便呈現出馬鞍形,而且幅值明顯降低,於是在調製信號的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無中線系統中,由於三次諧波電流無通路,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波[4].

　　除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他3倍頻於正弦波信號的其他波形,這些信號都不會影響線

　　電壓.這是因爲,經過PWM調製後逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻於正弦波信號的諧波,但在合成線電壓時,各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍爲正弦波.

　　2.2 單元脈寬調製法[5]

　　因爲,三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關係,所以,某一線電壓任何時刻都等於另外兩個線電壓負值之和.現在把一個週期等分爲6個區間,每區間60°,對於某一線電壓例如Uuv,半個週期兩邊60°區間用Uuv本身表示,中間60°區間用-(Uvw+Uwu)表示,當將Uvw和Uwu作同樣處理時,就可以得到三相線電壓波形只有半周內兩邊60°區間的兩種波形形狀,並且有正有負.把這樣的電壓波形作爲脈寬調製的參考信號,載波仍用三角波,並把各區間的曲線用直線近似(實踐表明,這樣做引起的誤差不大,完全可行),就可以得到線電壓的脈衝波形,該波形是完全對稱,且規律性很強,負半周是正半周相應脈衝列的反相,因此,只要半個週期兩邊60°區間的脈衝列一經確定,線電壓的調製脈衝波形就唯一地確定了.這個脈衝並不是開關器件的驅動脈衝信號,但由於已知三相線電壓的脈衝工作模式,就可以確定開關器件的驅動脈衝信號了.

　　該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關損耗和加寬線性控制區,同時還能帶來用微機控制的方便,但該方法只適用於異步電動機,應用範圍較小.

　　3 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爲指令信號,把實際的電流波形作爲反饋信號,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷,使實際輸出隨指令信號的改變而改變