第七章 电力电子技术-PWM控制技术

PWM控制方法

引言

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控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通

和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正

弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出

电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世

纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和

迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技

术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控

制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技

术的特点，到目前 为止主要有以下8类方法。

1 相电压控制PWM

1.1 等脉宽PWM法

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude

Modulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。

等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一

种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，

改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于

PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出

电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。

1.2 随机PWM

在上世纪70年代开始至上世纪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，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的

PWM控制原理PWM控制技术

主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与 PWM波形的生成方法，PWM逆变电 路的谐波分析，PWM整流电路。

重点：PWM控制的基本原理、控制方式与 PWM波形的生成方法。

难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析。

基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与 PWM波形的生成方法，了解 PWM逆变电路的谐波分析，了解跟踪型 PWM逆变电路，了解PWM整流电路。

PWM (Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽 度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。第 3、4章已涉及这方面内容： 第3章：直流斩波电路采用，第4章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变 频电路。

本章内容

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是 PWM型，PWM

控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

本章主要以逆变电路为控制对象来介绍 PWM控制技术，也介绍PWM整流电路

1 PWM控制的基本原理

理论基础：

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。冲量指窄 脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在 高频段略有差异。

图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L电路)上，如图6-2a所 示。其输出电流i⑴对不同窄脉冲时的响应波形如图 6-2b所示。从波形可以看出，在i(t) 的上升段，i⑴的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i(t)响应波 /(O A1 7

6 形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i⑴也是周期性的。用傅里叶级数 分解后将可看出，各i⑴在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

第6章 PWM控制技术

1．试说明PWM控制的基本原理。

答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：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，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理

以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2．设图6-3中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原理计算脉冲宽度。 解：将各脉冲的宽度用i（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得

1=m50m2dsinUttU=502cost =0.09549(rad)=0.3040(ms)

2 =m525m2dsinUttU=5252cost =0.2500(rad)=0.7958(ms)

3 =m5352m2dsinUttU=53522cost =0.3090(rad)=0.9836(ms)

4 =m5453m2dsinUttU=2 =0.2500(rad)=0.7958(ms)

5 =m54m2dsinUttU=1 =0.0955(rad)=0.3040(ms)

简述pwm控制技术原理

脉宽调制（PWM）是一种常用的电子控制技术，通过调节信号的占空比来控制输出信号的平均功率。PWM控制技术常用于电力电子、自动控制、通信等领域。

PWM控制技术的原理如下：

1. 基本原理：PWM控制技术基于周期性的高电平（ON）和低电平（OFF）信号。在一个固定的时间周期内，通过改变高电平和低电平信号的持续时间比例（即占空比），可以实现对输出信号的平均功率的调节。

2. 信号生成：PWM控制技术需要产生一个周期性的方波信号作为控制信号。可以使用定时器或计数器来生成这个周期性的信号，根据设定的频率来确定每个周期的时间长度。

3. 调节占空比：在每个周期内，通过改变高电平信号的持续时间来调节占空比。占空比定义为高电平信号的持续时间与一个周期的总时间之比。例如，一个占空比为50%的PWM信号表示高电平和低电平信号的时间相等。

4. 输出控制：PWM信号经过一个滤波器，将高频的方波信号转换为模拟信号。根据PWM信号的占空比，滤波器输出的模拟信号的平均值相应地调节。通过控制占空比，可以实现对输出信号的电压、电流或功率进行精确的控制。

PWM控制技术的优点包括高效性、精确性和可靠性。由于输出信号是由开关器件的开关状态决定的，因此可以快速响应和调节输出信号。PWM技术广泛应用于电机控制、LED调光、电源变换器等领域，以实现精确的控制和节能的效果。