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第六章PWM控制技术PWM简介6.1脉冲宽度调制（PWM）把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线和横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。PWM逆变器从根本上解决了方波逆变器存在的问题。近几十年来，该技术一直是电力电子的研究热点，并在工业应用领域产生了极大的经济效益。在技术实现上，从模拟电路发展到全数字化方案；在调制原理上提出了自然采样法、规则采样法、等面积算法、消除有限次谐波的优化调制方法等等。为了适应交流异步电机变频调速的应用，提出了电压正弦波调制、磁通正弦波调制和电流正弦波调制算法。为了获得优良的输出波形，提出了消除有限次谐波的算法、效率最优的和转矩脉动最小的PWM算法。为了消除音频噪声、消除低次谐波以及提高系统稳定性，又提出了各种随机PWM技术。到目前为止，对这一技术仍不断有新方案提出，充分体现出其强大的生命力。1、PWM波形生成原理在采样控制理论中，有一个重要结论：冲量相等而形状不同的脉冲，加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量，即是指窄脉冲的面积。这里所说的效果相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果将其输出波形用傅氏变换分析，其中低频特性基本相同，仅在高频段略有差异。例如，图6-2中所示的三个面积相等但形状不同的窄脉冲，当他们分别加在惯性上环节上时，输出基本相同，并且，脉冲宽度越窄，其输出的差异越小。当脉冲变为图6-2(d)中的单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节脉冲过度函数。图6-2形状不同而冲量相同的各种脉冲b)基于上述理论，下面再来分析一下如何用一系列幅度相等、宽度不等的脉冲序列代替一个正弦波。将图6-3(a)中所示的正弦波（半个周期）分成N等份，可以把正弦波（半个周期）看成由N个脉冲组成。这些脉冲宽度相等，幅值不等，脉冲顶部不是水平直线，而是按正弦规律变化的曲线。我们将这些脉冲以一组幅度相等、宽度不等的脉冲代替，使脉冲的中点和相对应的正弦等分的中点重合,且使脉冲面积和相应的正弦部份面积（冲量）相等，我们就得到如图6-3(b)所示的一组脉冲,把它们重画在一起，如图6-4所示，这就是SPWM波形。把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。图6-4为所希望的波形和所期望的SPWM波的关系。PWM基本原理SPWM原理为何采用等腰三角波作为载波？因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，在交点时刻就可以得到宽度正比于调制信号波幅度的脉冲。图6-5为调制波、载波和SPWM波的关系图形。采用SPWM技术时可以对DC-AC逆变器的输出幅度和频率进行独立控制。需要说明的是，PWM和SPWM这两个术语，实质上是没有区别的，有时为了强调正弦波调制，用SPWM表示，经常混用这两个术语。SVPWM是从电机控制角度出发，指电机磁通正弦脉冲宽度调制。6-5调制波、载波和SPWM波的关系6-6SPWM技术对DC-AC逆变器输出幅度和频率独立控制示意图SPWM原理2PWM的调制方式与相关术语单极性（Unipolar）PWM调制与双极性(Bipolar)PWM调制单极性脉宽调制：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内。单极性PWM控制方式如图6-6，图6-8所示，它说明了SPWM技术对DC-AC逆变器输出幅度和频率独立控制。单极性调制中，逆变器同一桥臂的上部功率开关管和下部功率开关管在调制波（输出电压基波）的半周期内仅有一个功率开关管多次开通和关断。单极性SPWM波形单极性SPWM波形单极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性脉宽调制：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化。图6-5为双极性PWM调制。在双极性PWM调制方式中，同一桥臂上下两个功率开关的驱动信号是互补的信号，但实际上为了防止同一桥臂上下两个功率开关直通而造成短路，在两个信号中间加入死区，死区时间大小主要由功率开关器件的关断时间决定，死区时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。双极性SPWM波形双极性SPWM波形这两种方式的差别仅仅在于正弦波与三角波比较的方法。一般说来，单极性PWM调制方案产生的谐波较小，但是难于实现，在本书中只讨论双极性PWM调制方法。双极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM控制方式（三相桥逆变）输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。因此，在采用异步调制方式示，希望尽量提高载波频