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(dòng)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8類方法.

1 相電壓控制PWM
1.1 等脈寬PWM法[1]
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(jiǎn)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(duì)于PAM法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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.

1.2 隨機(jī)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(dòng)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(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)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.

1.3 SPWM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.
1.3.1 等面積法
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(hào)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).

1.3.2 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(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過對(duì)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(hào)波為正弦波時(shí),所得到的就是SPWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)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(duì)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.

1.3.3 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.
 
1.3.3.1 自然采樣法[2]
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.

1.3.3.2 規(guī)則采樣法[3]
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(duì)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(duì)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(duì)稱的,這種方法稱為對(duì)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(duì)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(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣.
規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)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.

1.3.4 低次諧波消去法[2]
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(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)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(huì)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.

1.4 梯形波與三角波比較法[2]
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86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào),三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制.
由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波.

2 線電壓控制PWM
前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí),都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線對(duì)稱負(fù)載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦,而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此,提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法.

2.1 馬鞍形波與三角波比較法
馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無(wú)中線系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無(wú)通路,所以三個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波[4].
除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他3倍頻于正弦波信號(hào)的其他波形,這些信號(hào)都不會(huì)影響線
電壓.這是因?yàn)?經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的3倍頻于正弦波信號(hào)的諧波,但在合成線電壓時(shí),各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍為正弦波.

2.2 單元脈寬調(diào)制法[5]
因?yàn)?三相對(duì)稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關(guān)系,所以,某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和.現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區(qū)間,每區(qū)間60°,對(duì)于某一線電壓例如Uuv,半個(gè)周期兩邊60°區(qū)間用Uuv本身表示,中間60°區(qū)間用-(Uvw+Uwu)表示,當(dāng)將Uvw和Uwu作同樣處理時(shí),就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°區(qū)間的兩種波形形狀,并且有正有負(fù).把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào),載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實(shí)踐表明,這樣做引起的誤差不大,完全可行),就可以得到線電壓的脈沖波形,該波形是完全對(duì)稱,且規(guī)律性很強(qiáng),負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相,因此,只要半個(gè)周期兩邊60°區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定,線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了.這個(gè)脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了.
該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū),同時(shí)還能帶來用微機(jī)控制的方便,但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī),應(yīng)用范圍較小.

3 電流控制PWM
電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào),把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào),通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷,使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變.其實(shí)現(xiàn)方案主要有以下3種.

3.1 滯環(huán)比較法[4]
這是一種帶反饋的PWM控制方式,即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器,得出相應(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài),使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化.該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)性能好,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量.其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音,和其他方法相比,在同一開關(guān)頻率下輸出電流中所含的諧波較多.

3.2 三角波比較法[2]
該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同,這里是把指令電流與實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較,產(chǎn)生PWM波.此時(shí)開關(guān)頻率一定,因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn).但是,這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快.

3.3 預(yù)測(cè)電流控制法[6]
預(yù)測(cè)電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí),根據(jù)實(shí)際電流誤差,負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量,來預(yù)測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì),因此,下一個(gè)調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測(cè)的誤差.該方法的優(yōu)點(diǎn)是,若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息,則可獲得比較快速,準(zhǔn)確的響應(yīng).目前,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性.

4 空間電壓矢量控制PWM [7]
空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),形成PWM波形.此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通).
具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式.磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量,若采樣時(shí)間足夠小,可合成任意電壓矢量.此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15%,諧波電流有效值之和接近最小.磁通閉環(huán)式引
入磁通反饋,控制磁通的大小和變化的速度.在比較估算磁通和給定磁通后,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量,形成PWM波形.這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足,解決了電機(jī)低速時(shí),定子電阻影響大的問題,減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音.但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善.

5 矢量控制PWM[8]
矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制,其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia,Ib及Ic,通過三相/二相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1及Ib1,再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流),然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制.其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),分別對(duì)速度,磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制.通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制.
但是,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),以及矢量變換的復(fù)雜性,使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果,這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足.此外.它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制,在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器,這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便.

6 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM[8]
1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡(jiǎn)稱DTC).直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同,它不是通過控制電流,磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制,它也不需要解耦電機(jī)模型,而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值,然后,經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化,有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度,并以新穎的控制思想,簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展.
但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn),如逆變器開關(guān)頻率的提高有限制.

7 非線性控制PWM
單周控制法[7]又稱積分復(fù)位控制(Integration Reset Control,簡(jiǎn)稱IRC),是一種新型非線性控制技術(shù),其基本思想是控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例.該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性,通過復(fù)位開關(guān),積分器,觸發(fā)電路,比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的.單周控制器由控制器,比較器,積分器及時(shí)鐘組成,其中控制器可以是RS觸發(fā)器,其控制原理如圖1所示.圖中K可以是任何物理開關(guān),也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào).
單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài),瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期.雖然硬件電路較復(fù)雜,但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足,適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器,具有反應(yīng)快,開關(guān)頻率恒定,魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),此外,單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng),減小畸變和抑制電源干擾,是一種很有前途的控制方法.

8 諧振軟開關(guān)PWM
傳統(tǒng)的PWM逆變電路中,電力電子開關(guān)器件硬開關(guān)的工作方式,大的開關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的du/dt和di/dt限制了開關(guān)器件工作頻率的提高,而高頻化是電力電子主要發(fā)展趨勢(shì)之一,它能使變換器體積減小,重量減輕,成本下降,性能提高,特別當(dāng)開關(guān)頻率在18kHz以上時(shí),噪聲將已超過人類聽覺范圍,使無(wú)噪聲傳動(dòng)系統(tǒng)成為可能.
諧振軟開關(guān)PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上,附加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò),諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感,諧振電容
和功率開關(guān)組成.開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí),諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開關(guān)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程,諧振過程極短,基本不影響PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn).從而既保持了PWM技術(shù)的特點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù).但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會(huì)產(chǎn)生諧振損耗,并使電路受固有問題的影響,從而限制了該方法的應(yīng)用.

總結(jié)
PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一.

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