pwm控制技术的概念是什么（pwm控制技术的概念和特点）

脉宽调制，PWM（Pulse Width Modulation），对一系列脉冲的宽度进行调制，以等效地获得所需的波形（包括形状和幅度）。 PWM控制技术主要应用于电力电子技术行业，具体包括风力发电、电机调速、直流电源等领域。在其众多的应用领域中，这里我们只讲一下PWM在电动汽车上的应用。

电动汽车的动力源是电池。电池为电动汽车的驱动电机提供电能。电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。此时的电机称为“电动机”。

电池是直流电，需要逆变成交流电（逆变电路，电动汽车中的逆变器是无源逆变器），而这个过程中几乎都会用到PWM技术。 PWM逆变电路分为电压型和电流型两种。目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

电机除了起到动力传输的作用外，还可以给电池反向充电。这时，电动机就被称为“发电机”。当电动汽车减速时，制动能量回收系统通过电机将电能传输回电池。将直流电变换为交流电的电路称为逆变电路，将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。将电能反馈给电池的过程需要使用整流电路。电机通过控制器实现交直流互换，如下图所示。

这里用直流斩波器解释了PWM 概念。电机系统原理图及电压波形如下图所示。当开关S接通时，直流电源电压Us加到电机上。当S关断时，直流电源与电机断开，电机的电枢电流通过续流二极管VD续流，电机两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如右图所示。看起来电源电压Us在ton时间内导通，在T-ton时间内截止，所以称为“斩波”。

电机获得的平均电压为

式中：T，开关周期

f，开关频率，等于1/T

吨，传导时间

，占空比，=ton/T=fton

根据调制平均输出电压的方式不同，可分为三种控制方式：

T不变，改变ton：脉宽调制（PWM）；

Ton不变，改为T：脉冲频率调制（PFM）；

T和ton均可调节：混合型。

在上述三种控制技术中，数字PWM控制技术在逆变电路中应用最广泛，也最具代表性。除大功率逆变装置外，大多数应用的逆变电路都是PWM型的。 PWM控制技术依靠其在逆变电路中的应用，决定了其在电力电子技术中的重要地位。

例如，在交流电机控制器中，PWM控制开关频率来控制速度。由于PWM具有其他技术无法比拟的优点，如调速范围宽、快速性好、波形系数好、功率因数好等，因此得到了广泛的应用。

PWM控制技术的基本思想是我国交流电的频率为50Hz。因此，交流电的波形是正弦波。那么，PWM控制技术的目标就是用什么样的信号或者波形来代替这种正弦波交流电。这个信号可以是各种不同形状的窄脉冲，比如方波、三角波等。在我们今天要讲的电动汽车中，就是用等幅不等宽的脉冲来代替这个正弦波的。

这里我们以半正弦波为例。将正弦半波分成N等份，可以将其视为N个相连的等宽但幅值不同的脉冲序列，如下图a）所示。然后用矩形脉冲代替这N个等宽不等幅的脉冲，矩形脉冲就是等幅不等宽的脉冲，如下b)所示。并且该脉冲的宽度呈正弦变化。这一系列幅度相等、宽度不等的脉冲称为PWM 波。

用PWM波形代替这个正弦半波的过程如下图所示。首先，将正弦半波分成相等的部分。各分割部分的脉冲宽度相同，但幅度不同。然后用一系列的PWM波，即等幅但不等宽度的脉冲来代替这个正弦半波。每个等幅不等宽度的脉冲与等宽度的脉冲具有相同的面积（脉冲），并且中点彼此重合。 PWM波的宽度按正弦规律变化。如果要改变等效输出正弦波幅度，只需按相同比例改变每个脉冲的宽度即可。最后，这个PWM波相当于正弦交流电。

对于正弦波的负半周，采用同样的方法得到PWM波形。因此，正弦波一个完整周期的等效PWM波形如下图所示。

根据面积等效原理，正弦波也可以等效为下图中的PWM波，这种方法在实际应用中比较常见。

PWM控制过程PWM控制技术控制半导体开关器件的开通和关断，使输出端获得一系列幅值相等但宽度不等的脉冲，即PWM波。 PWM波用于代替正弦交流电压。按照一定的规则调制每个脉冲的宽度，不仅可以改变逆变电路的输出电压，还可以改变输出频率。如下图所示，当改变脉冲周期（开关频率）时，就会改变输出频率。

上图以单相电压型逆变电路为例，因为直流电源Ud的方波U0展开为傅里叶级数为

因此，图中的频率分别为开关频率的1、3、5倍。开关周期越短，频率越高。开关频率及其倍数对应于瀑布图中伞序的中心频率，如下图所示。

对于PWM来说，由于脉冲的宽度是恒定的，所以下图中相邻的两条蓝色虚线对应的时间也是恒定的。调制的是中间绿色虚线的时间，也就是脉冲宽度。通过调节开关的导通时间来控制脉冲宽度。对信号1进行调制，按照一定的规律进行脉宽调制，得到信号2。信号1和信号2的原始频率相同（因为开关周期不变），但脉宽不同。如果开关周期时刻变化，则相应的调制称为脉冲频率调制。

根据正弦规律调制脉冲宽度，调制成所需的正弦波。如果要改变等效输出正弦波幅度，只需按相同比例改变每个脉冲的宽度即可。

PWM控制时，脉冲信号通过电机的惯量进行平滑处理。理想的交流电压应该是正弦波，如下图的正弦参考（图中红线所示），但实际电压（图中绿线所示）有一个波动范围（图中绿线所示）图中两条虚线），这个波动范围也称为磁滞带。正是由于滞环带的存在，在对信号进行FFT分析时，瀑布图中会出现伞状的阶次线（这将在后面详细介绍）。

交流转直流转换上面介绍了直流转交流转换的控制过程。将直流电变换为交流电的电路称为逆变电路，逆变电路中广泛采用了PWM控制技术。将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。同样，PWM控制技术也可以应用于整流电路。可以看作是逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。本节主要讲的是整改过程中的应用。

不同的国家采用不同的交流电源标准。例如，美国交流电为110V、60Hz，而我国则使用220V、50Hz。对于正弦交流电，未经任何转换，直流电压为0。

对单相交流电进行整流时，分为半波整流和全波整流。半波整流是指对半个正弦波进行整流。整流后的直流电压为交流电流峰值/。直流电压如下图虚线所示。

全波整流是指对交流电源的整个正弦波进行整流，包括负半部分。整流后的直流电压是交流功率峰值的两倍/。直流电压如下图虚线所示。与半波整流相比，全波整流获得的直流电压幅值增加了一倍。

三相交流电又分为半波整流和全波整流。三相交流电中各相之间的相位差为120度，如下图所示，此时的直流电压为0。

对三相交流电进行半波整流时，整流后的直流电压如图中黑色曲线所示。

单独取出直流电压曲线，如下图所示。

如果各相工作正常，由于我国交流电频率为50Hz，因此信号中的频率成分应该是主线频率（50Hz）和3倍主线频率（150Hz），如图以下。

如果对三相交流电采用全波整流，则整流后的波形如下图所示。由于三相中每相相差120度，在全波整流时，负的部分是相反的。因此，此时各相的相位差为60度。度，如下图所示。

整流后得到的直流电压如下图黑色曲线所示，虚线为直流电压幅值。

从下图可以看出，全波整流后的直流电压更加平坦。与半波整流相比，直流电压波动更小，更直流。

此时信号中的频率成分为主线频率（50Hz）和6倍主线频率（300Hz），如下图所示。

如果全波整流时交流电的某一相出现问题，也就是说控制器控制过程中出现问题，整流时交流电的某一相就会丢失，如图以下。与上面正常的全波整流情况相比，可以看到绿相交流正弦波的后半部分丢失了，整流后的直流电压曲线在这部分有明显的下降，如黑色所示如下图中的曲线。

正常信号频率应为主线频率和6倍线频率。如果控制器出现问题，导致交流电源某一相丢失，则信号频率会有其他倍增。如果三相全波整流中出现高2、3、4、5倍线频率，则表明整流电路有问题，如下图所示。这些倍数是问题频率。