PWM控制原理及电路应用详解
<h1><span style="font-size:12px;">1</span></h1><div><strong>PWM</strong>（脉冲宽度调制）是用脉冲来输出模拟信号的一种技术，其通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以产生等效的目标波形，广泛应用于测量、通信、开关电源、电机控制等领域。</div>
<div>本文将对PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用进行分享。</div>
<p><strong>一、PWM基本控制原理</strong></p>
<div>1、理论基础</div>
<div><strong>面积等效原理：</strong>冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。其中“冲量”是指窄脉冲的面积，而“效果基本相同”是指环节的输出响应波形基本相同。</div>
<div></div>
<div>将图中所示电压窄脉冲，分别作用在一阶惯性环节（下图(a)）上，各窄脉冲的输出电流i(t)响应波形如下图（b）所示。</div>
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<div>可以看出在最初暂态时，它们的响应波形略有差别，但后续的响应波形则完全一致。</div>
<div>所施加的脉冲越窄，输出响应的波形差异越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅里叶级数进行响应信号分解后可知，响应在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。</div>
<div>2、控制原理</div>
<div>基于面积等效原理，PWM通过对一系列脉冲宽度进行调制，产生与目标波形脉冲冲量相等的窄脉冲波形，从而实现目标波形（含形状和幅值）的等效。</div>
<div><strong>这里以常用的正弦半波等效为例进行调制过程介绍：</strong></div>
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<div>首先，将正弦半波均等分割成N个相连的宽度相等幅值不同的脉冲。然后，用N个等幅不等宽的矩形脉冲对其进行代替，矩形脉冲的中点与相应正弦波脉冲的中点重合，且两者面积（冲量）相等。</div>
<div>这样，即可获得与正弦半波等效的一系列PWM波形——SPWM波形，SPWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化。</div>
<div>除了正弦波外，PWM技术还可对直流以及非正弦交流等波形进行等效，其基本原理与SPWM控制相同，都是基于面积等效原理。</div>
<div><strong>二、PWM技术应用</strong></div>
<div><strong>PWM斩波电路与PWM逆变电路是PWM技术的最典型的两种电路应用。</strong></div>
<div>目前，实际应用的逆变电路中绝大部分是PWM型，而在直流电动机调速中PWM斩波电路得到了广泛应用。此外，基于PWM技术的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路在交流-交流变换领域中均有应用。</div>
<div><strong>下面对典型的直流斩波电路以及PWM逆变电路进行介绍。</strong></div>
<div><strong>1、</strong>直流斩波电路</div>
<div><strong>常用的直流斩波电路有：</strong>Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk斩波电路以及Sepic斩波电路等。</div>
<div><strong>这里以Buck直流斩波电路为例进行讲解，电路结构如下图所示：</strong></div>
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<div><strong>图中</strong>：V为全控型器件，D为续流二极管。</div>
<div>当器件处于导通状态时，电源向负载供电，并给电容充电，二极管电压VD=Vin；当器件处于关断状态时，电容给负载供电，二极管电压近似为0。</div>
<div>若周期性的给开关器件开通与关断信号，输出电压波形如右图所示。电源在导通时间ton内被接通，在关断时间T- ton内被截断，因此也称为斩波。</div>
<div>输出电压的平均值为：</div>
<div></div>
<div>可见，直流斩波电路可以通过调节开关器件的开通与关断时间，从而调节输出电压平均值，获得所需的直流电压波形。</div>
<div>2、PWM逆变电路</div>
<div><strong>常用的PWM逆变电路控制方法有计算法与调制法两种。</strong>其中，计算法过程繁琐且当输出正弦波形变化时需要重新进行计算，因此常用调制法进行PWM逆变电路控制。</div>
<div><strong>下面对单相桥式逆变电路的SPWM调制过程以及三相桥式逆变电路的SVPWM调制过程进行讲解。</strong></div>
<div><strong>▍</strong><strong>单相桥式逆变电路</strong></div>
<div>将期望的输出信号作为调制信号，采用等腰三角波或锯齿波作为载波信号，以两种信号的交点控制开关器件的通断，将得到一系列宽度正比于信号波幅值的PWM脉冲。</div>
<div>具体调制过程如下：</div>
<div></div>
<div><strong>在调制信号ur正半周时：</strong></div>
<div>开关器件V1保持导通，V2与V3保持关断，V4根据调制波与载波之间的关系交替导通。</div>
<div>当|Ur|＞|Uc|时，V4开通，负载电压Uo=Ud；当|Ur|＜|Uc|时，V4关断，负载电流将通过二极管D3续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和Ud电平交替的波形。</div>
<div><strong>在调制信号ur负半周时：</strong></div>
<div>开关器件V2保持导通，V1与V4保持关断，V3根据调制波与载波之间的关系交替导通。</div>
<div>当|Ur|＞|Uc|时，V3开通，负载电压Uo=-Ud；当|Ur|＜|Uc|时，V3关断，D4续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和-Ud电平交替的波形。</div>
<div>在调制信号波ur一个整周期内，逆变器输出的PWM波形由±Ud和0三种电平构成。</div>
<div><strong>▍</strong><strong>三相桥式逆变电路</strong></div>
<div></div>
<div>除了上述的SPWM正弦脉冲宽度调制技术外，SVPWM空间矢量脉宽调制技术在电机控制领域中也十分常用。</div>
<div><strong>SPWM</strong>是通过在电机定子中通入相位互差120°的正弦波，从而在空间上产生一个旋转磁动势带动转子旋转。而<strong>SVPWM</strong>的则是通过设置开关管的通断在电机中形成一个旋转的电压矢量，从而产生一个旋转的磁动势。</div>
<div><strong>SVPWM的具体实施方法如下：</strong></div>
<div>电路由六个开关器件构成，上下管为一组形成三个半桥电路，同一半桥的上下桥臂不能同时导通或断开。</div>
<div>定义上桥臂导通，下桥臂关断时状态为1，上桥臂关断，下桥臂导通时状态为0，则可以得到8种电压状态（000、100、110、010、011、001、101、111）。其中，000与111为零矢量，其他六种为非零电压矢量，将空间电压矢量图划分为6个扇区。</div>
<div></div>
<div><strong>SVPWM的实现过程中：</strong></div>
<div>首先，根据转子的位置和采集的电流数据来确定需要给定的Uα和Uβ值，接着确定由Uα和Uβ合成的电压U所处的扇区。</div>
<div>然后，根据确定的扇区选择合成电压U所需的电压矢量（U1~U6），并依据矢量合成的关系计算出开关器件的保持时间。</div>
<div>最后，根据这些计算结果控制开关器件的通断，以实现预期的电压U输出。</div>
<div></div>
<div><strong>三、常用拓扑调制方式</strong></div>
<div>若将PWM控制技术应用于不同的电力拓扑，控制信号的调制方式会有所差异。</div>
<div><strong>常用的调制方式包括：</strong>移相调制、脉冲频率调制、脉冲宽度调制、单极性倍频调制和双极性调制等，这些调制方式在PPEC数字电源控制芯片中均有成熟的封装可直接应用，为数字电源研发提供了高效、稳定、可靠的解决方案。</div>
<div><strong>接下来我们对部分常用电力拓扑的调制方式进行介绍：</strong></div>
<div><strong>▍</strong><strong>移相全桥拓扑：</strong>采用移相调制方式，通过调节桥臂开关器件PWM信号的相位差（即移相角），改变原边输出电压占空比，从达到调节输出电压的目的。</div>
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<div><strong>▍</strong><strong>LC串联谐振拓扑：</strong>采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率f<sub>s</sub> 实现输出电压的调节。在实际应用中常工作于0~0.5倍谐振频率f<sub>r</sub>模式以及开关频率f<sub>s</sub>高于谐振频率f<sub>r</sub>模式。</div>
<div></div>
<div></div>
<div><strong>▍</strong><strong>LLC谐振拓扑：</strong>常采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率f<sub>s</sub>实现输出电压的调节。变换器常工作于欠谐振模式、准谐振模式及过谐振模式。</div>
<div></div>
<div></div>
<div><strong>▍</strong><strong>逆变/整流拓扑：</strong>常采用单极倍频调制及双极性调制方式。单极倍频调制采用两个基波信号（u<sub>g </sub>、-u<sub>g</sub>）与载波信号交截得到两个调制信号，两个信号相互作用产生单极倍频调制信号。双极性调制信号由一个基波与载波交截产生，其波形在半个基波周期内有正有负。</div>
<div></div>
<div><strong>▍</strong><strong>buck-boost拓扑：</strong>常采用脉冲宽度调制（PWM）及脉冲频率调制（PFM）方式。PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现输出电压调节。PFM通过调节开关频率以实现输出电压调节。</div>
<div>PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用就分享到这里了。需要注意的是，尽管PWM控制技术简化了电力变换过程，具有稳定性好、效率高、可靠性高等优点，但PWM技术的实现对开关器件的要求较高且电路噪声较大。因此，在应用中大家要根据实际需求选择合适的控制方式。</div>
<p><!--importdoc--></p>
<p>文中配的图很经典，不然只靠文字描述很难理解这哥俩的关系，PWM和PFM</p>
<p></p>
<p>介绍很详细透测，可以深入学习下，感谢楼主分享技术干货。</p>
<p></p>
<p>确实不错，值得探究，参考学习</p>
<p><strong>PWM</strong>（脉冲宽度调制）是用脉冲来输出模拟信号的一种技术，<strong><span style="color:#c0392b;">其通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以产生等效的目标波形，</span></strong>广泛应用于测量、通信、开关电源、电机控制等领域。</p>
<p>这句话是错误的， </p>
本帖最后由 振动试验仪器 于 2024-10-13 19:19 编辑
<p>一楼上最后一个图的单极性倍频调制，双极性调制这两个图就是 PWM的工作原理图了。</p>
<p>模拟信号正弦波与高频三角波经过高频比较器如LF311，比较器输出的就是高频方波了，方波的占空比是个不相同。可以说是正弦波的信号特征，频率和大小就变成了方波的占空比的周期变化了。</p>
<p>一楼上第一个图片的右边是双极性调制。</p>
<p>在网上查找 ，汉语百度 汉语词典解释</p>
<dl>
<dt>[ tiáo zhì ]</dt>
<dd>
<p>为了传送信息(如在电报、电话、无线电广播或电视中)而对周期性或断续变化的载波或信号的某种特征(如振幅、频率或相位)所作的变更</p>
<p> </p>
<p>调制_词语_成语_百度汉语<br />
<a href="https://hanyu.baidu.com/zici/s?wd=%E8%B0%83%E5%88%B6" target="_blank">https://hanyu.baidu.com/zici/s?wd=%E8%B0%83%E5%88%B6</a></p>
</dd>
</dl>
<p>脉冲宽度调制就是PWM 这个英文的直译了。PWM不是对脉冲的宽度进行调制，而是对一个信号进行调制后生成了脉冲宽度不等的方波，这个方波就是数字量了。</p>
<p>因此PWM就是一个信号转换的技术，可以把模拟量转换成数字量，</p>
<p>模拟信号用PWM转换成方波后，一个最重要的用途是用来控制 MOS管等大功率开关管。</p>
<p>大功率电源经过大功率开关管的高频通断，变压整流、滤波等，大功率电源转换成不同电压等级的电源。</p>
<p>波形变换有两种方式，第一种就是第三个图片，以半正弦波进行变换的方式，</p>
<p>将半正弦波按时间轴等分成N分，就是将半正弦波分割成个N个面积不同的脉冲了，按正弦波的公式可以计算出N个面积的大小和幅值的大小，就是N个 脉冲时间相等而 幅值不等的脉冲。</p>
<p>再按面积等效的原理，对N个不等幅的脉冲进行转换成等幅不等宽的脉冲了，</p>
<p>这样就是把半正弦波的模拟信号转换成了一串等幅 不等宽的方波了。这样的一串方波就是数字化了。</p>
<p> </p>
<p>第二种转换方式 就是要转换的信号用分立元件就是可以直接转换。</p>
<p>要变换的模拟信号与高频的三角波接入高频的比较器的两个输入端，输出端输出的就是等幅不等宽的方波了。</p>
<p>挺详细的PWM资料，收藏参考</p>
<p><img src="https://bbs.eeworld.com.cn/data/attachment/forum/202410/12/wd_182612c5u8v2t72z3s6773.jpg" /></p>
<p> </p>
<p>方波信号经过电感产生的电流响应波形，如果把电源变成一个200V的大功率电源，加入一个开关管用PWM波来控制开关的G极，G极高电位时，瞬时接通后断开，就是输出一个高电压的方波脉冲了，这不就是开关电路的工作原理吧，再把电路变换一个元件的位置，</p>
<p> </p>
<p>图1-2是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。</p>
<p> </p>
<div style="text-align: center;"></div>
<p> 带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图图1-2是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。</p>
<p> </p>
<p>振动台的功放的前置放大器把控制仪输出的正弦信号进行放大后，在双运放变成 了一个正，一个负的正弦波输出，分别变换出两个PWM的方波，如下图了。</p>
<p> </p>
<p>振动台功放应该就是采用了双极性调制，没有最下面的正负脉冲输出。这两个方波在时间轴上有同时是高电位的重合时间段，在振动台功放的前置部分对两个方波进行了变换处理，最后进入功放部分，驱动电路上这两个PWM的方波就是反相，没有高电位的重合时间段了。</p>
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