第4章 脉宽调制技术

PWM技术简介直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展, PWM 技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。

而51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，可以采用定时器配合软件的方法实现MCS-51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合是非常实用的。

随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。

为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。

对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，；例如用单片机软件实现PWM 调速的方法。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以分为正弦PWM、优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。

现代电力电子及变流技术第四章脉宽调制(PWM)技术脉宽调制技术：按同一比例改变在ur 和uc交点时刻控制IGBT 的通断u r 和uc的点时刻制IGBT 的通断控制公用三角波载波uc 三相的调制信号依次u c u rW单相逆变器结构特点电路结构特征：2个桥臂输出电压：ab ag bg V V V =−结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。

�逆变器共有4种开关状态—S a S b ：00，01，10，11。

开关状态与电压的关系4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现结构特点�两个桥臂电压V ag 和V bg 分别独立可控——控制存在两个自由度；�由于连接了负载，输出电压V ab 具有唯一性——只有一个自由度。

如何分析两维的桥臂电压和一维的输出电压之间的联系？几何分析方法矢量空间�桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别代表两个垂直方向——桥臂电压空间；�输出电压只有一个自由度，构成一维空间 ——输出电压空间。

4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现桥臂电压和输出电压的联系�采用投影方式建立联系；�开关状态(00)，(11)形成的两个桥臂电压——对应一个输出电压(0V)。

这一投影具有唯一性投影关系ag ab bg 01111V V V V −⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦V 0是零序电压*11ag 22ab 11bg 220*V V V V ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎣⎦逆变器控制方法V 0*为一定范围的任意数注：V 0*取常数（如V i ）时，Vag 和Vbg 的驱动波形可以设计。

例：V ab *取0.5V i ， V 0*取V iV ag 取0.75V i ， V bg 取0.25V ia 桥臂上管b 桥臂下管b 桥臂上管a 桥臂下管4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现V 0*取其他值会怎样？ V 0*有没有一个取值原则？4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现三相逆变器结构特点结构特征：3个桥臂电路特征：()ng ag bg cg 3V V V V =++结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。

pwm脉宽调制原理
PWM脉宽调制原理
PWM，即脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种通过控制信号的脉冲宽度来实现模拟信号的技术。

在电子领域中，PWM技术被广泛应用于控制系统、变频调速、电源供应等方面。

PWM脉宽调制原理基本上可以概括为通过改变信号的占空比来控制输出信号的电压或功率。

在PWM脉宽调制中，信号的周期是固定的，而脉冲的宽度则根据控制信号的变化而改变。

通过控制脉冲的宽度，可以实现对输出信号的精确控制。

通常情况下，信号的占空比被定义为脉冲的宽度与周期的比值，通常以百分比表示。

PWM脉宽调制技术的原理可以简单地解释为：当信号的占空比增大时，输出信号的电压或功率也会随之增大；反之，当信号的占空比减小时，输出信号的电压或功率也会相应减小。

因此，通过改变信号的占空比，可以实现对输出信号的精确控制。

在实际应用中，PWM脉宽调制技术被广泛应用于电子设备中，如直流电机的调速控制、逆变器的控制、电源供应的调节等。

通过PWM 技术，可以实现对电子设备的精确控制，提高系统的稳定性和效率。

除了在电子设备中的应用外，PWM脉宽调制技术还被广泛应用于照明领域。

通过调节LED灯的PWM信号，可以实现对灯光的亮度和
颜色的精确控制，实现节能和环保的效果。

总的来说，PWM脉宽调制技术是一种非常有效的控制技术，可以广泛应用于电子设备、照明领域等各个领域。

通过控制信号的脉冲宽度，可以实现对输出信号的精确控制，提高系统的稳定性和效率。

PWM技术的不断发展和应用将为电子领域带来更多的创新和发展。

第1章电力电子器件1.电力电子器件一般工作在__开关__状态。

2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为__通态损耗__，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为__开关损耗__。

3.电力电子器件组成的系统，一般由__控制电路__、_驱动电路_、_主电路_三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加_保护电路__。

4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为_单极型器件_ 、_双极型器件_ 、_复合型器件_三类。

5.电力二极管的工作特性可概括为_承受正向电压导通，承受反相电压截止_。

6.电力二极管的主要类型有_普通二极管_、_快恢复二极管_、_肖特基二极管_。

7.肖特基二极管的开关损耗_小于_快恢复二极管的开关损耗。

8.晶闸管的基本工作特性可概括为__正向电压门极有触发则导通、反向电压则截止__ 。

9.对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流IL在数值大小上有IL__大于__IH 。

10.晶闸管断态不重复电压UDSM与转折电压Ubo数值大小上应为，UDSM_大于__Ubo。

11.逆导晶闸管是将_二极管_与晶闸管_反并联_〔如何连接〕在同一管芯上的功率集成器件。

12.GTO的__多元集成__结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。

13.MOSFET的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的_截止区_、前者的饱和区对应后者的__放大区__、前者的非饱和区对应后者的_饱和区__。

14.电力MOSFET的通态电阻具有__正__温度系数。

15.IGBT 的开启电压UGE〔th〕随温度升高而_略有下降__，开关速度__小于__电力MOSFET 。

16.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为_电压驱动型_和_电流驱动型_两类。

17.IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有__负___温度系数，在1/2或1/3额定电流以上区段具有__正___温度系数。

第4章习题解答4-1答：由E g=4.44f1N s kNΦm可知，要保持Φm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同事降低Eg，使Eg/f1=常值，然而绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得Us/f1=常值，这就是恒压频比控制方式。

4-2答：恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性：当s很小时，Te≈3n p⎪⎭⎫⎝⎛1ωUs2sRrs∞1ω, 转据近似与s成正比，机械特性Te≈f（s）是一段直线，当s接近1时，则Te≈3n p⎪⎭⎫⎝⎛1ωUs2[]sLLRsRlrlsrr122121∞++）（ωω，,转矩近似与s成反比，这时机械特性Te≈f（s）是对称与原点的一段双曲线。

基频以下电压—频率协调控制时异步电动机的机械特性：恒压频比的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了，而且频率越低时最大转矩值越小，但低速带负载能力不怎么好，须对定子压降实行补偿。

恒Eg /ω1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到Φm 为恒定值，从而改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。

恒Er /ω1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通Φrm 恒定进行控制，而且，在动态中也尽可能保持Φrm 恒定是矢量控制系统的目标。

基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性：当角频率ω1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，可以认为输出功率基本不变，所以基频以上调速属于弱磁恒功率调速。

4-3答：在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节电源性质的不同，逆变器可分成电压源型和电流源型两类。

直流环节采用大电容滤波，相当于一个恒压源，因而输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源型逆变器。

直流环节采用大电感滤波，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，叫做电流源型逆变器。

脉宽调制工作原理
脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是一种电子电路中常用的调制技术，它通过改变脉冲信号的宽度来实现对输出信号的控制。

脉宽调制广泛应用于电源控制、电机控制、音频信号处理等领域。

脉宽调制的工作原理如下：首先，输入信号通过一个比较器和一个三角波发生器进行比较，产生一个宽度可调的方波信号。

比较器将输入信号与三角波进行比较，根据比较结果切换方波信号的状态。

接下来，通过改变三角波的周期或幅值，可以改变方波信号的频率或占空比。

频率是指方波信号周期的倒数，而占空比则表示方波信号的高电平时间与周期时间的比值。

最后，将调制后的方波信号通过滤波电路，去除高频成分和噪声，得到平滑的模拟输出信号。

脉宽调制的优点是具有高效率和精确度高的特点。

通过改变占空比，可以调节输出信号的平均功率。

同时，脉宽调制技术还具有抗干扰能力强、控制精度高、适应性强等优点。

总之，脉宽调制是一种通过改变脉冲信号的宽度来实现对输出信号的控制的技术。

它是一种高效、精确、抗干扰能力强的调制方法，在众多应用领域中得到广泛应用。

PWM控制芯片SG3525原理及应用第一章引言脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点.本文介绍的SG3525芯片主要应用于华为ONU4820，艾默生HD4825-3 HD4830-3 .第二章PWM控制芯片SG3525功能简介随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。

SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。

下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。

SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流调节脉宽。

在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。

由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

一、SG3525引脚功能及特点简介SG3525功能框图如图1所示：图1 典型功能框图1． Inv.input(脚1)：误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。

2． Noninv.input(脚2)：误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

第1章绪论1.1 脉宽调制技术的研究背景——电气传动的发展随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及材料技术尤其是永磁材料技术的进步，电气传动系统，包括交、直流电动机调速及伺服系统，正在向系统高性能、控制数字化、一体化机电的方向发展。

直流传动系统控制简单、调速特性好，一直是调速传动领域中的重要组成部分。

现代的直流传动系统的发展方向是电动机主极永磁化及换向无刷化，而无刷直流电动机正是在这样的趋势下所发展起来的机电一体化电动机系统。

一般意义上的无刷直流电动机(Bruhless DC Motor,BLDCM)是指方波无刷直流电动机，其特征是只需简单的开关位置信号即可通过逆变桥驱动永磁电动机工作。

1975年无刷直流电动机首次出现在NASA报告中。

之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率、全控型功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速的发展。

1977年，出现了采用钐钻永磁材料的无刷直流电动机。

之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采用高磁能积、高矫顽力、低成本的第三代NdFeB永磁材料，且采用霍尔元件作位置传感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出转矩，使其更加实用。

1986年，H.R.Bolton对方波无刷直流电动机系统进行了全面的总结，这标志着方波无刷直流电动机系统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟。

近年来，虽然永磁直流电动机也随着永磁材料技术的发展而得到了性能的提高，依然在直流传动系统中被广泛应用，但直流传动系统已经处于无刷直流电动机大规模普及与应用的阶段。

现代交流传动系统已经由感应电动机为主发展为多机种，尤其是以永磁同步电动机的发展最为显著。

一方面，由感应电动机构成的交流调速系统性能依然不断提高，变压变频(VVVF）技术及矢量控制技术完全成熟。

通过模仿直流电动机中转矩控制的思路，采用坐标变换，把交流感应电动机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量，并通过对磁通和转矩的独立控制、使感应电动机获得类似直流电动机的控制特性。

第四章 直流调速系统§4.1 直流电动机得调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜于在大范围内平滑调速，在扎钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

由直流电动机得速度公式Φ-=e a a K R I U n )(可以看出，直流电动机得调速方法有以下三种：改变电源电压U （简称调压调速）；改变电枢回路电阻R a （简称串电阻调速）；改变励磁电流以改变主磁通Φ（简称削弱磁场调速）。

下面分别予以介绍。

一、 改变电源电压U 调速并励直流电动机用改变电源电压调速的机械特性如图4—1所示。

这种调速方法的主要特点是：（1） 调速范围宽广，可以从低速一直调到额定转速，速度变化平滑，通常称为无极调速。

（2） 调速过程中没有附加能量损耗。

电压降低后，机械特性硬度不变，故稳定性好。

（3） 转速只能调低（低于额定转速），不能调高（因端电压不能超过额定电压）。

（4） 所需设备较复杂，成本较高。

随着晶闸管变流技术的飞速发展，这种调速方法已获得越来越广泛的应用。

在 晶闸管变流技术采用以前，直流电动机得调压调速一般采用直流他励发电机——直流电动机组来实现，通称G —M 系统。

在许多大型的龙门刨床、重型机床轧钢机中，该系统仍有采用。

简化其工作原理如图4—2所示，三相异步电动机拖动直流他励发电机，它产生直流电压供给直流电动机，改变发电机的励磁电流，则发电机产生的感应电动势E随之改变，即达到了调压调速的目的。

由于G—M系统所需电动机数量多、耗电大，声音及干扰也较大，故已逐渐被淘汰。

二、改变电枢回路电阻调速该方法通过在电枢回路中串入调速电阻来实现调速目的，其接线如图4—3和4—4所示。

但必须注意，调速变阻器可作启动变阻器用，而启动变阻器不能用于调速，因为启动变阻器是按短时工作设计的，如将它用于调速，则很容易损坏。

相应调速方法的特性曲线如图4—5和4—6所示，该调速方法的特点是：（1）所需设备较简单、成本低，因此在小功率直流电动机中用的较多。

变频器原理及应用第一章概述填图题输入交流直流输出直流整流斩波交流移相逆变第二章电力电子器件一、填空题1、晶闸管三个电极的名称是阳极（A）、阴极（K）、和门极（G）。

2、晶闸管的动态损耗包括开通损耗和关断损耗。

4、常用的均流电路有：串联电阻均流电路、串联电抗器均流电路和采用直流电抗器的均流电路。

5、晶闸管的保护包括：晶闸管的过电流保护、晶闸管的过电压保护和电压与电流上升率的限制。

6、晶闸管的过电流保护的措施：快速熔断器保护、过电流继电器保护、脉冲移相过电流保护、利用反馈控制过电流保护、直流快速熔断器过电流保护。

7、电压与电流上升率的限制的措施：给整流装置接上整流变压器、在交流电源输入端串接空心小电阻和每个桥臂串接空心小电感或在桥臂上套入磁环。

8、由于接通、断开交流侧电源时出现暂态过程而引起的过电压称为交流侧过电压，由于交流电网受雷击或从电网侵入的干扰过电压，这种过电压作用时间长、能量大称为交流侧浪涌过电压。

9、交流侧浪涌过电压只能采用类似稳压管稳压原理的压敏电阻或硒堆元件来保护。

10、大功率晶体管（GTR）使用时必须考虑的参数：击穿电压、电流增益、耗散功率和开关速度。

11、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）的保护包括：过电压保护和过电流保护。

12、PD是指电力二极管，其符号是13、SCR是指晶闸管，其符号14、GTO是指门极关断晶闸管，其符号是15、IGBT是指绝缘栅双极型晶体管，其符号是16、GTR是指大功率晶体管，其符号17、MOSFET是指功率场效应晶体管，其符号是 N型沟道 P型沟道。

二、选择题1:右图是（c）元件的图形符号。

A:双极晶体管B:晶闸管C:绝缘栅双极晶体管D:场效应管2、目前，在中小型变频器中普遍采用的电力电子器件是（D）。

A：SCR B：GTO C：MOSFET D：IGBT3、下列元件中不属于全控器件的是（ A ）A：SCR B：GTO C：MOSFET D：IGBT三、判断题1、“半控”的含义是指晶闸管可以被控制导通但不能用门极控制关断。

第四章级联型多电平中高压变频器的控制算法和控制策略§4-1 PWM技术概述自20世纪60年代开始，人们将通讯领域的调制技术引入到电力电子和交流传动领域，提出了正弦波脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation——SPWM）的概念。

由于PWM技术有效解决了逆变器输出电压调节过程中的低次谐波问题及其具有的方便灵活的特点，在交直流传动领域得到广泛应用，学术界的热情也有增无减，迄今为止，PWM技术仍是变频领域研究热点之一[6]。

PWM的基本依据是面积相等原理，即冲量（面积）相等的不同形状的窄脉冲加到惯性环节上时，其作用效果基本相同。

这样就可以将需要输出的理想波形在时间轴上以相等的步长分解成一系列的等宽不等幅的窄脉冲，再利用面积相等原理将其变换成为一系列等幅不等宽的窄脉冲，通过桥式逆变电路输出到负载，其作用效果与直接输出一个连续的调制波信号到负载的作用基本相同。

但由于经PWM 输出的是一系列的等幅的脉冲，用逆变电路实现极为方便[8] [17]。

4-1-1 PWM的类型PWM的实现一般有两种方法：一种是计算法；另一种是比较法。

所谓计算法就是采用积分的办T）内的调制波的面积计算出来，再除以输出的PWM波的幅值，从而得到PWM 法将一个开关周期（c的占空比；而比较法，则是利用等腰三角形的腰与高成正比的原理，利用三角波或锯齿波作为载波与调制波相比较，在两个波之间的交点处控制逆变桥电力电子器件的状态转换。

比较法以其快速、不占用系统软件资源等优势在模拟时代占据了PWM实现方法的主流；近年来，由于数字技术的迅速发展和计算机功能的提高，计算法以其方便、灵活的特点成为PWM实现方法的主流。

PWM技术在电力电子领域的应用极其广泛，在不同的应用场合，应用不同的电路结构，采用不同的电力电子器件，对PWM的要求不同，相应PWM算法及侧重点也有所不同。

按调制波形的不同PWM可分为正弦波PWM，非正弦波PWM；按波形的生成方式可分为波形调制类PWM，谐波消去PWM，效率最优PWM，最小转矩脉动PWM等；按照载波极性又可分为单极性PWM，双极性PWM；按载波比N变化与否可分为同步调制，异步调制，分段同步调制三种调制方式；按照载波类型可分为对称型PWM和非对称型PWM；按每个载波周期内调制波的取法又可分为规则采样PWM和自然采样PWM[6]。