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PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
在采样控制理论中有一个重要的结论;冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，上述原理称为面积等效原理。冲量即指窄脉冲的面积。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。以正弦PWM控制为例。把图6-3a的正弦半波分成N等份,就可把其看成是N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于?/N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图6-3b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。
图1.1 用PWM波代替正弦半波 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路和PWM逆变电路，其PWM波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。而斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路，其输入电源都是交流，因此所得到的PWM波也是不等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。 4.2 PWM调制方式
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在PWM控制电路中，载波频率ｆｃ与调制信号频率ｆｒ之比N=ｆｃ/ｆｒ称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中,通常保持载波频率fc固定不变,因而当信号波频率ft变化时,载波比N是变化的。
异步调制的主要特点是:
在信号波的半个周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。这样,当信号波频率较低时,载波比较大,一周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影咱都较小,PWM波形接近正弦波。而当信号披频率增高时,载波比N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大,有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说,三相输出的对称性也变差。
载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。
同步调制的主要特点是:
在同步调制方式中,信号波频率变化时载波比N不变,信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时,同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时,同步调制时的载波频率fc会过高,使开关器件难以承受。此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些。
为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制得方法。即把逆变电路的输出频率划分为若干段,每个频段的载波比N一定,不同频段采用不同的载波比。其优点主要是,在高频段采用较低的载波比,使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。
4.3 PWM逆变电路的谐波分析
PWM逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。这些谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一，因此有必要对PWM波形进行谐波分析。这里主要分析常用的双极性SPWM波形。
同步调制可以看成是异步调制的特殊情况，因此只分析异步调制就可以了。采用异步调制时，不同信号波周期的PWM波形是不相同的，因此无法直接以信号波周期为基准进行傅里叶分析。以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数可以推导出PWM波的傅里叶级数表达式，但这种分析过程相当复杂，而其结论却是很简单而直观的。即:在不同调制度a时的单相桥式PWM逆变电路在双极性调制方式下其PWM波中不含有低次谐波，只含有角频率为Wc及其附近的谐波，以及2Wc、3Wc等及其附近的谐波。在上述谐波中，幅值最高的影响最大的是角频率为Wc 的谐波分量。
上述分析都是在理想条件下进行的。在实际电路中，由于采样时刻的误差以及为避免同一相上下桥臂直通而设置的死区的影响，谐波的分布情况将更为复杂。一般来说，实际电路中的谐波含量比理想条件下要多一些，甚至还会出现少量的低次谐波。一般情况下，Wc>>Wr,所以PWM波形中所含的主要谐波的频率要
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比基波频率高得多，是很容易滤除的。载波频率越高，SPWM波形中谐波频率就越高，所需滤波器的体积就越小。另外一般的滤波器都有一定得带宽，如按载波频率设计滤波器，载波附近的谐波也可滤除。 4.4 SPWM信号产生电路
采用自然采样法即是正弦波作为调制波，三角波作为载波，通过三角波的调制得到SPWM的波形，采用模拟电路构成三角载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定他们的交点。在交点时刻来控制开关管通断，生成SPWM波。其死去延时主要是由高精度的单稳态触发器CD4538完成，CD4538管脚和功能表如图5
所示。CD4538 由两个高精度可重触发地单稳态触
图2 CD4538的管脚和功能表
图3 SPWM信号产生电路
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VSS安阳师范学院 VCCVCC4XFG13XFG285VVSSR42k|?C11nF745123AABAT1AT2ACDAVSS8VEE15V5BAL6B/STB75VVEEU3R31k|?U7A1674HC04N_4V12816VDDR112VS+U1ACD4538BCNQA6~QA751|?3R22VS-GND19U5A74HC08N_4V10C210nF51|?-15V4U5C74HC08N_4VVSS5VVSSVDD0VDDLM311N50U4A74HC04N_4VR52k|?C3201nF645123AABAT1AT2ACDAVSS816U2AVDDCD4538BCNQA6~QA718U6B74HC08N_4V13C410nFU6A1474HC08N_4V011发器组成，Q和Q非输出有缓冲，输出特性对称。该器件工作时，需外接一个电阻 Rx和一个电容 Cx，调节 Rx和Cx 数值，可得到两个不同宽度地单稳态脉冲，既可以调节Rx和Cx 数值久可以改变死去时间，就可以并且传输延迟时间不受Rx 和 Cx 变化地影响。SPWM信号产生电路如图6所示，其仿真输出波形结果如图7所示。
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图4 仿真输出波形
4.5 过电流保护电路
过电流保护原理如图10所示，图中的电阻R17称为检测电阻，一般比较小，R13尽量大一点，可以忽略其对检测电阻的分流作用。LM311接成电压比较器的形式，5V基准电压通过R14、RP组成的分压电路分压后接入电压比较器的同相端，作为给定基准电压，来自霍尔电流传感器的逆变器输入电流信号经滤波电路后与基准电压进行较，正常工作时电压比较器输出高电平。短路发生时，逆变器输入电流增加，使得霍尔电流传感器输电压增加，电压比较器输入电压大于基准电压，电压比较器输出由高电平变低电平，从而通过控制核心使驱动信号迅速关断。
+5R142KJ92DIODESCT211FK+C3D1R1310KU4273R151KJ1012GUOLIU OUTC4104861R185LM311R171K4310KW22111uF 图5.过电流保护电路
4.6 直流稳压电源电路
设计直流稳压电源是为SPWM信号产生电路提供工作电源，根据系统要求电源需要极小的纹波，因此在电源输入端接电容，以进一步滤除纹波，在输出端接电容可以改善负载的瞬态影响，为保证系统稳定性将不同电压等级的分开，按照设计要求和方案分析输出的电压等级有+15V、+5V，电路原理图如图11所示，交流电压220V通过变压器得到双15V和双7V的交流电压，在经过四个二极管进行整流、4700uF/25V滤波电容滤波后供给2个集成稳压块7815、7915，得到+15V的直流电压。
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