【正文】 值集合之內(nèi)，例如在 {0V, 5V}這一集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動旋鈕時(shí)，電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個(gè) 電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重 (如老式的家庭立體聲設(shè)備 )和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。 通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大 幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和 DSP 已經(jīng)在芯片上包含了 PWM 控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 具體過程 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號 電平 進(jìn)行數(shù)字 編碼 的方法。通過高分辨率 計(jì)數(shù)器 的使用， 方波 的 占空比 被 調(diào)制 用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。 PWM 信號 仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖 序列被加到模擬負(fù) 載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。 多數(shù)負(fù)載 (無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 許多微控制器內(nèi)部都包含有 PWM 控制器。例如， Microchip 公司的 PIC16C67內(nèi)含兩個(gè) PWM 控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行 PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： 設(shè)置提供調(diào)制方波的 片上 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的周期 在 PWM 控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 設(shè)置 PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用 I/O 管腳 啟動定時(shí)器 使能 PWM控制器 PWM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到 被控系統(tǒng) 信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行 數(shù)模轉(zhuǎn)換 。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時(shí)，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主 要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC或 LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之， PWM 既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 PWM 技術(shù)的控制方法 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,其效果基本相同 .PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制 ,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖 ,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形 .按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 ,既可改變逆變電路輸出電壓的大小 ,也可改變輸出頻率 . PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受 電力電子器件 發(fā)展水平的制約 ,在上世紀(jì) 80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) .直到進(jìn)入上世紀(jì) 80年代 ,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展 ,PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用 .隨著電力電子技術(shù) ,微電子技術(shù)和 自動控制技術(shù) 的發(fā)展以及各種新的理論方法 ,如現(xiàn)代控制理論 ,非線性系統(tǒng) 控制思想的應(yīng)用 ,PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 .到目前為止 ,已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù) ,根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn) ,到目前為止主要有以下 9類方法 . PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的 ,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓 .等脈寬 PWM法正是為了克服 PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的 ,是 PWM法中最為簡單的一種 .它是把每一脈沖的寬度 均相等的脈沖列作為 PWM波 ,通過改變脈 沖列的周期可以調(diào)頻 ,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓 ,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化 .相對于 PAM 法 ,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了電路結(jié)構(gòu) ,提高了輸入端的功率因數(shù) ,但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外 ,還包含較大的諧波分量 . PWM 在上世紀(jì) 70 年代開始至上世紀(jì) 80 年代初 ,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙 極性 達(dá)林頓三極管 ,載波頻率一般不超過 5kHz,電機(jī) 繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注 .為求得改善 ,隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生 .其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲 (在線性頻率坐標(biāo)系中 ,各頻率能量分布是均勻的 ),盡管噪音的總分貝數(shù)未變 ,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱 .正因?yàn)槿绱?,即使在 IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天 ,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合 ,隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價(jià)值 。另一方面則說明了消除機(jī)械和電 磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率 ,隨機(jī) PWM 技術(shù)正是提供了一個(gè)分析 ,解決這種問題的全新思路 . 法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ,目前使用較廣泛的 PWM法 .前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,用脈沖寬度按正弦規(guī)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(guān)器件的通斷 ,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等 ,通 過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值 .該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案 . 1） 面積法 該方案實(shí)際上就是 SPWM 法原理的直接闡釋 ,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波 ,然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔 ,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中 ,通過查表的方式生成 PWM 信號控制開關(guān)器件的通斷 ,以達(dá)到預(yù)期的目的 .由于此方法是以 SPWM 控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn) ,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在計(jì)算繁瑣 ,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大 ,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn) . 2） 硬件調(diào)制法 硬 件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的 ,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號 ,把接受調(diào)制的信號作為載波 ,通過對載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形 .通常采用等腰三角波作為載波 ,當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時(shí) ,所得到的就是 SPWM 波形 .其實(shí)現(xiàn)方法簡單 ,可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路 ,用比較器來確定它們的交點(diǎn) ,在交點(diǎn)時(shí)刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制 ,就可以生成 SPWM 波 .但是 ,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,難以實(shí)現(xiàn)精確的控制 . 3） 軟件生成法 由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)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(yīng)運(yùn)而生 .軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法 ,其有兩種基本算法 ,即自然采樣法和規(guī)則采樣法 . 自然采樣法 以正弦波為調(diào)制波 ,等腰三角波為載波進(jìn)行比較 ,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷 ,這就是自然采樣法 .其優(yōu)點(diǎn)是所得 SPWM 波形最接近正弦波 ,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性 ,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距 ,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程 ,計(jì)算繁瑣 ,難以實(shí)時(shí)控制 . 4） 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法 ,一般采用三角波作為載波 .其原理就是用三角波對正弦波進(jìn)行 采樣得到階梯波 ,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷 ,從而實(shí)現(xiàn) SPWM 法 .當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn) (或底點(diǎn) )位置對正弦波進(jìn)行采樣時(shí) ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個(gè)載波周期 (即 采樣周期 )內(nèi)的位置是對稱的 ,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣 .當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對正弦波進(jìn)行采樣時(shí) ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個(gè)載波周期 (此時(shí)為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對稱 ,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣 . 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn) ,其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單 ,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算 ,其中非對稱 規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦 .其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低 ,線性控制范圍較小 . 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中 . 5） 低次諧波消去法 低次諧波消去法是以消去 PWM 波形中某些主要的低次諧波為目的的方法 .其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開 ,表示為 u(ωt)=ansinnωt, 首先確定基波分量 a1 的值 ,再令兩個(gè)不同的 an=0,就可以建立三個(gè)方程 ,聯(lián)立求解得 a1,a2及 a3,這樣就可以消去兩個(gè)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 ,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相 當(dāng)大 ,而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn) .該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中 . 6） 梯形波與三角波比較法 前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的 ,從而忽視了直流電壓的利用率 ,如 SPWM 法 ,其直流電壓利用率僅為 %.因此 ,為了提高直流電壓利