PWM技術(shù)與電機數(shù)字化控制研究

楊輝

（深圳市車安科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000）

目前，人們的生活水平不斷提高，逐漸對機電行業(yè)的發(fā)展重視起來。同時，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動的技術(shù)革命。其中，PWM技術(shù)利用電力電子器件，通過調(diào)節(jié)電樞電壓來控制調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速，是利用單片機來實現(xiàn)直流電機的數(shù)字化控制，同時，具有精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)輸出電壓和電流穩(wěn)定以及能耗低等優(yōu)點，使電動機驅(qū)動控制實現(xiàn)數(shù)字化成為了現(xiàn)實。

1 PWM研究現(xiàn)狀

電子技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展使PWM技術(shù)在電機控制中的應(yīng)用表現(xiàn)為數(shù)字化形式，并在電力行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在其實際應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)PWM技術(shù)存在一定不足之處，影響了其性能的發(fā)揮。其中，最主要的問題就是對電機中器件的補償，且這種補償特性并不理想。其補償主要包括控制延時、死區(qū)以及開關(guān)時間等。死區(qū)對PWM應(yīng)用中輸出電壓有較大影響，是PWM技術(shù)性能能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。死區(qū)對電壓的影響不是單一因素，而是多個方面的。受死區(qū)影響，輸出電壓會與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生一定偏差，導(dǎo)致PWM基波電壓的幅值和相位無法達(dá)到理想值。死區(qū)同樣對其諧波有較大影響。在其運行中，死區(qū)主要產(chǎn)生低次諧波，這種諧波的出現(xiàn)會使電機輸出功率增大，從而使其轉(zhuǎn)矩脈動改變。要想使電機控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)數(shù)字化，提高PWM性能，需要重視非理想特性特別是死區(qū)產(chǎn)生的影響，并采取有效補償措施，使電機運行控制達(dá)到理想狀態(tài)。

2 PWM技術(shù)具體應(yīng)用

PWM技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了電力行業(yè)的發(fā)展，給電力電子技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向，實現(xiàn)了電機系統(tǒng)的有效控制。PWM技術(shù)主要在以下方面有著良好的應(yīng)用效果。

2.1 直流斬波電路

該電路是PWM技術(shù)應(yīng)用的早期電路，在長期發(fā)展中已經(jīng)得到了較好的完善，技術(shù)較為成熟。通常應(yīng)用于直流電機中，將其與電機調(diào)速系統(tǒng)相結(jié)合，可以構(gòu)成直流PWM電路。

2.2 交流變流電路

PWM技術(shù)在該類型電路中的應(yīng)用主要包括矩陣式變頻以及斬控式，這兩種電路是PWM技術(shù)應(yīng)用典型，在目前階段仍然應(yīng)用較少。但與其他電路相比，矩陣式電路有較好的集成可能性，因此，具有較高的應(yīng)用價值，值得推廣與發(fā)展。

2.3 逆變電路

逆變電路是所有電路類型中對PWM技術(shù)應(yīng)用最多的電路，最具有典型性。PWM技術(shù)在逆變電路中的普及使其在電機控制系統(tǒng)中的地位得到確定?，F(xiàn)如今，除去某些功率過大的電路，逆變電路普遍使用PWM技術(shù)進(jìn)行控制。

2.4 整流電路

PWM整流電路是PWM技術(shù)在整流電路中的應(yīng)用，屬于PWM技術(shù)從逆變電路向整流電路的發(fā)展?，F(xiàn)階段，整流電路中PWM控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)得到一定普及，其應(yīng)用前景較好。

圖1 用PW M波代替正弦半波

3 PWM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，其驅(qū)動控制的實現(xiàn)主要通過PWM技術(shù)對脈沖輸入信號參數(shù)的改變。根據(jù)需求對信號開關(guān)時間進(jìn)行設(shè)定，從而調(diào)節(jié)輸出信號，使電機的定位、調(diào)速等環(huán)節(jié)得到有效控制。在實際應(yīng)用過程中人們發(fā)現(xiàn)，脈沖信號的開關(guān)有兩種控制方式：①PFM技術(shù)。保持導(dǎo)通信號寬度不變，通過脈沖周期與開關(guān)頻率的變化實現(xiàn)對負(fù)載電壓的影響。②PWM技術(shù)。改變信號寬度，使負(fù)載電壓產(chǎn)生變化，同時，保持信號周期與開關(guān)頻率不變。PFM控制技術(shù)使脈沖頻率產(chǎn)生較大的改變。當(dāng)其頻率處于較高狀態(tài)，會使器件出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p耗，影響其使用壽命；而較低的頻率極易對人體聽覺器官產(chǎn)生影響，使人感受到較大的噪聲。其控制效率受器件關(guān)斷速度的影響，不易實現(xiàn)功能的充分發(fā)揮。如果脈沖頻率具有特殊性，則會使電機系統(tǒng)出現(xiàn)機械諧振問題，對設(shè)備內(nèi)部造成影響，使其音頻出現(xiàn)嘯叫，系統(tǒng)發(fā)生振蕩，不利于實現(xiàn)有效的電機驅(qū)動控制。PWM控制技術(shù)在應(yīng)用中，其脈沖頻率不發(fā)生變化，因此，能夠有效避免以上問題的出現(xiàn)，且PWM技術(shù)不需要改變開關(guān)頻率，可以使因器件開關(guān)問題而導(dǎo)致的電磁干擾有效消除。PWM技術(shù)已經(jīng)在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

4 PWM控制技術(shù)的基本原理

4.1 理論基礎(chǔ)

對采樣控制理論進(jìn)行使用時，可以得到的一個重要理論為沖量相等，但是運作形式有差異的窄脈沖在具備慣性的環(huán)節(jié)上基本的效果是相同的，其中的沖量指的是窄脈沖的面積，在作用的效果上基本一致，即窄脈沖的輸出響應(yīng)的波形很相似。低頻段上的數(shù)據(jù)顯示也是非常接近的，唯一存在差異的位置在高頻段上。所以，研究人員將這種采樣控制形式稱為面積等效原理，這種原理是PWM控制理論使用的主要參考。用一系列等幅而不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，把正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；矩形脈沖代替，脈沖等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。如圖1所示。將該等幅而不等寬的脈沖施加于被控對象上，可以起到對被替代的正弦半波的控制效果。這些等幅而不等寬的脈沖即PWM波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化且與正弦波沖量等效的PWM波形也被稱為SPWM波形。

4.2 PWM逆變電路載波調(diào)制法

目前，電機驅(qū)動中的PWM技術(shù)是中小逆變功電路運行中較為受歡迎的一種。原因是這種技術(shù)可以通過等腰三角波或鋸齒波作為載波的進(jìn)行數(shù)據(jù)整理過程中的調(diào)制。這其中的等腰三角波技術(shù)應(yīng)用的頻率較高，原因是這種技術(shù)的優(yōu)勢在實際應(yīng)用過程中較為明顯，其中，任何一點水平寬度或高度的線性平衡狀態(tài)出現(xiàn)問題后，等腰三角波都有對應(yīng)的方法進(jìn)行處理，等腰三角波在線性關(guān)系上的平衡占有優(yōu)勢以外，還左右對稱。與平緩的調(diào)制信號相交以后，可以在實際運行中的控制器上進(jìn)行通斷處理，進(jìn)而得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。這種波幅在應(yīng)用的過程中符合PWM技術(shù)適配上的要求。以正弦波狀態(tài)的模式運行的調(diào)制信號，就是SPWM波；如果調(diào)制信號不是正弦波，而是其他形式的波形，也可以得到等效PWM波。

5 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代電機控制的發(fā)展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本；另一方面，又不斷有技術(shù)指標(biāo)及其苛刻的特殊應(yīng)用的系統(tǒng)需求出現(xiàn)。筆者相信，隨著人們對計算機控制技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，將帶動電動機系統(tǒng)的飛速發(fā)展，接下來仍要我們不斷學(xué)習(xí)新的電力電子技術(shù)，實現(xiàn)PWM技術(shù)的完善與發(fā)展，從而為電機驅(qū)動水平提升提供條件。

［1］費新華.基于PWM控制的直流電機驅(qū)動設(shè)計［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（11）：155-156.

［2］孫立志.PWM與數(shù)字化電動機控制技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［3］于建立，張占福.機電一體化中的電機控制與保護(hù)探討［J］.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016，6（11）：71-72.