采樣控制理論中有一個(gè)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結論為理論基礎，對半導體開(kāi)關(guān)器件的導通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進(jìn)行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

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80年代以前一直未能實(shí)現。直到進(jìn)入上世紀80年代，隨著(zhù)全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。隨著(zhù)電力、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，如現代控制理論、非線(xiàn)性系統控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現了多種PWM控制技術(shù)，根據PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類(lèi)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(lái)實(shí)現的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。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(lái)的，是PWM法中很為簡(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(guò)改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調變化。相對于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結構，提高了輸入端的功率因數，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PWM

在上世紀70年代開(kāi)始至上世紀80年代初，由于當時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機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PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開(kāi)關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線(xiàn)性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說(shuō)明了消除機械和電磁噪音的很佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析、解決這種問(wèn)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)重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規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(kāi)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區間內的面積相等，通過(guò)改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現有以下幾種方案。

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?zhuān)�用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數據存于微機中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達到預期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準確地計算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數據占用內存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。

1.3.2 硬件調制法

硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過(guò)對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調制信號波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結構復雜，難以實(shí)現jing確的控制。

1.3.3 軟件生成法

由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現調制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規則采樣法。

1.3.3.1 自然采樣法［2］

以正弦波為調制波，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(kāi)關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形很接近正弦波，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)周期內不等距，從而脈寬表達式是一個(gè)超越方程，計算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。

1.3.3.2 規則采樣法［3］

規則采樣法是一種應用較廣的工程實(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(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現SPWM法。當三角波只在其頂點(diǎn)（或底點(diǎn)）位置對正弦波進(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）內的位置是對稱(chēng)的，這種方法稱(chēng)為對稱(chēng)規則采樣。當三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對正弦波進(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）內的位置一般并不對稱(chēng)，這種方法稱(chēng)為非對稱(chēng)規則采樣。

規則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計算簡(jiǎn)單，便于在線(xiàn)實(shí)時(shí)運算，其中非對稱(chēng)規則采樣法因階數多而更接近正弦。其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低，線(xiàn)性控制范圍較小。

以上兩種方法均只適用于同步調制方式中。

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。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開(kāi)，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 )相當大，而且同樣存在計算復雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調制方式中。

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制信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以?xún)刹ǖ慕稽c(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷實(shí)現PWM控制。

由于當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(guò)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(xiàn)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，對于像三相異步電動(dòng)機這樣的三相無(wú)中線(xiàn)對稱(chēng)負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著(zhù)眼于使線(xiàn)電壓趨于正弦。因此，提出了線(xiàn)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，調制信號便呈現出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調制信號的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過(guò)三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無(wú)中線(xiàn)系統中，由于三次諧波電流無(wú)通路，所以三個(gè)線(xiàn)電壓和線(xiàn)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倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會(huì )影響線(xiàn)電壓。這是因為，經(jīng)過(guò)PWM調制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線(xiàn)電壓時(shí)，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線(xiàn)電壓仍為正弦波。

2.2 單元脈寬調制法［5］

因為，三相對稱(chēng)線(xiàn)電壓有Uuv＋Uvw＋Uwu=0的關(guān)系，所以，某一線(xiàn)電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線(xiàn)電壓負值之和�，F在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區間，每區間60?，對于某一線(xiàn)電壓例如Uuv，半個(gè)周期兩邊60?區間用Uuv本身表示，中間60?區間用－（Uvw＋Uwu）表示，當將Uvw和Uwu作同樣處理時(shí)，就可以得到三相線(xiàn)電壓波形只有半周內兩邊60?區間的兩種波形形狀，并且有正有負。把這樣的電壓波形作為脈寬調制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區間的曲線(xiàn)用直線(xiàn)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(xiàn)電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱(chēng)，且規律性很強，負半周是正半周相應脈沖列的反相，因此，只要半個(gè)周期兩邊60?區間的脈沖列一經(jīng)確定，線(xiàn)電壓的調制脈沖波形就僅有地確定了。這個(gè)脈沖并不是開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)脈沖信號，但由于已知三相線(xiàn)電壓的脈沖工作模式，就可以確定開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)脈沖信號了。

該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開(kāi)關(guān)損耗和加寬線(xiàn)性控制區，同時(shí)還能帶來(lái)用微機控制的方便，但該方法只適用于異步電動(dòng)機，應用范圍較小。

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，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號，通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號的改變而改變。其實(shí)現方案主要有以下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(lái)與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器，得出相應橋臂開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率不固定造成較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開(kāi)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(guò)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(kāi)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，這種方式電流響應不如滯環(huán)比較法快。

3.3 預測電流控制法［6］

預測電流控制是在每個(gè)調節周期開(kāi)始時(shí)，根據實(shí)際電流誤差，負載參數及其它負載變量，來(lái)預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個(gè)調節周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，若給調節器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準確的響應。目前，這類(lèi)調節器的局限性是響應速度及過(guò)程模型系數參數的準確性。

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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開(kāi)關(guān)，形成PWM波形。此法從電動(dòng)機的角度出發(fā)，把逆變器和電機看作一個(gè)整體，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制，使電機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(kāi)環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開(kāi)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制時(shí)提高15％，諧波電流有效值之和接近很小。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(kāi)環(huán)法的不足，解決了電機低速時(shí)，定子電阻影響大的問(wèn)題，減小了電機的脈動(dòng)和噪音。但由于未引入轉矩的調節，系統性能沒(méi)有得到根本性的改善。

5 矢量控制PWM［8］

矢量控制也稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過(guò)三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1及It1（Im1相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿對直流電動(dòng)機的控制方法，實(shí)現對交流電動(dòng)機的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，分別對速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制。通過(guò)控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標變換，實(shí)現正交或解耦控制。

但是，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，以及矢量變換的復雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達到理論分析的效果，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子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配置轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場(chǎng)合帶來(lái)不便。

6 直接轉矩控制PWM［8］

1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（Direct Torque Control簡(jiǎn)稱(chēng)DTC）。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來(lái)控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實(shí)際值，然后，經(jīng)磁鏈和轉矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行很佳控制，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)現無(wú)速度傳感器化，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制jing度，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

但直接轉矩控制也存在缺點(diǎn)，如逆變器開(kāi)關(guān)頻率的提高有限制。

7 非線(xiàn)性控制PWM

單周控制法［7］又稱(chēng)積分復位控制（Integration Reset Control，簡(jiǎn)稱(chēng)IRC），是一種新型非線(xiàn)性控制技術(shù)，其基本思想是控制開(kāi)關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開(kāi)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)具有調制和控制的雙重性，通過(guò)復位開(kāi)關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。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(kāi)關(guān)，也可是其它可轉化為開(kāi)關(guān)變量形式的抽象信號。

單周控制原理

單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個(gè)周期內自動(dòng)消除穩態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì )帶到下一周期。雖然硬件電路較復雜，但其克服了傳統的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調制軟開(kāi)關(guān)逆變器，具有反應快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)化系統響應、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(kāi)關(guān)PWM

傳統的PWM逆變電路中，電力電子開(kāi)關(guān)器件硬開(kāi)關(guān)的工作方式，大的開(kāi)關(guān)電壓電流應力以及高的du/dt和di/dt限制了開(kāi)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，特別當開(kāi)關(guān)頻率在18kHz以上時(shí)，噪聲將已超過(guò)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍，使無(wú)噪聲傳動(dòng)系統成為可能。

諧振軟開(kāi)關(guān)PWM的基本思想是在常規PWM變換器拓撲的基礎上，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(kāi)關(guān)組成。開(kāi)關(guān)轉換時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò )工作使電力電子器件在開(kāi)關(guān)點(diǎn)上實(shí)現軟開(kāi)關(guān)過(guò)程，諧振過(guò)程極短，基本不影響PWM技術(shù)的實(shí)現。從而既保持了PWM技術(shù)的特點(diǎn)，又實(shí)現了軟開(kāi)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(wèn)題的影響，從而限制了該方法的應用。

9 結語(yǔ)

本文較詳細地總結了各種PWM控制方法的原理，并簡(jiǎn)單說(shuō)明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力很廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結合現代控制理論思想或實(shí)現無(wú)諧振軟開(kāi)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。