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PWM控制原理及电路应用详解

2024-10-10 18:31:27 533 pwm原理 PWM信号电源设计 PWM电路

0 PWM（脉冲宽度调制）是用脉冲来输出模拟信号的一种威廉希尔官方网站，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。本文将对PWM威廉希尔官方网站的基本控制原理以及常见的电路应用进行分享。一、PWM基本控制原理 1、理论基础面积等效原理：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。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。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。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。 2、控制原理基于面积等效原理，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。这里以常用的正弦半波等效为例进行调制过程介绍：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。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。除了正弦波外，PWM威廉希尔官方网站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。二、PWM威廉希尔官方网站应用 PWM斩波电路与PWM逆变电路是PWM威廉希尔官方网站的最典型的两种电路应用。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威廉希尔官方网站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。下面对典型的直流斩波电路以及PWM逆变电路进行介绍。 1、直流斩波电路常用的直流斩波电路有：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk斩波电路以及Sepic斩波电路等。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：图中：V为全控型器件，D为续流二极管。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。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。输出电压的平均值为：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。 2、PWM逆变电路常用的PWM逆变电路控制方法有计算法与调制法两种。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。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。 ▍单相桥式逆变电路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。具体调制过程如下：在调制信号ur正半周时：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。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。在调制信号ur负半周时：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。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。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。 ▍三相桥式逆变电路除了上述的SPWM正弦脉冲宽度调制威廉希尔官方网站外，SVPWM空间矢量脉宽调制威廉希尔官方网站在电机控制领域中也十分常用。SPWM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SVPWM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。 SVPWM的具体实施方法如下：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。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。 SVPWM的实现过程中：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。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。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。三、常用拓扑调制方式若将PWM控制威廉希尔官方网站应用于不同的电力拓扑，控制信号的调制方式会有所差异。常用的调制方式包括：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。接下来我们对部分常用电力拓扑的调制方式进行介绍： ▍移相全桥拓扑：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。 ▍LC串联谐振拓扑：采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率fs 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fr模式以及开关频率fs高于谐振频率fr模式。 ▍LLC谐振拓扑：常采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率fs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。 ▍逆变/整流拓扑：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（ug 、-ug）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。 ▍buck-boost拓扑：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。 PWM威廉希尔官方网站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控制威廉希尔官方网站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威廉希尔官方网站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。 0 本主题由 dianzi_0101 于 2024-10-11 09:23 审核通过
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