PWM技术与电机数字化控制研究

杨辉

（深圳市车安科技发展有限公司，广东 深圳 518000）

目前，人们的生活水平不断提高，逐渐对机电行业的发展重视起来。同时，随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。其中，PWM技术利用电力电子器件，通过调节电枢电压来控制调节直流电动机的转速，是利用单片机来实现直流电机的数字化控制，同时，具有精度高、响应快、结构简单、系统输出电压和电流稳定以及能耗低等优点，使电动机驱动控制实现数字化成为了现实。

1 PWM研究现状

电子技术的现代化发展使PWM技术在电机控制中的应用表现为数字化形式，并在电力行业中得到广泛应用。在其实际应用过程中，人们发现PWM技术存在一定不足之处，影响了其性能的发挥。其中，最主要的问题就是对电机中器件的补偿，且这种补偿特性并不理想。其补偿主要包括控制延时、死区以及开关时间等。死区对PWM应用中输出电压有较大影响，是PWM技术性能能否实现的关键。死区对电压的影响不是单一因素，而是多个方面的。受死区影响，输出电压会与标准产生一定偏差，导致PWM基波电压的幅值和相位无法达到理想值。死区同样对其谐波有较大影响。在其运行中，死区主要产生低次谐波，这种谐波的出现会使电机输出功率增大，从而使其转矩脉动改变。要想使电机控制系统成功实现数字化，提高PWM性能，需要重视非理想特性特别是死区产生的影响，并采取有效补偿措施，使电机运行控制达到理想状态。

2 PWM技术具体应用

PWM技术的应用促进了电力行业的发展，给电力电子技术带来了新的发展方向，实现了电机系统的有效控制。PWM技术主要在以下方面有着良好的应用效果。

2.1 直流斩波电路

该电路是PWM技术应用的早期电路，在长期发展中已经得到了较好的完善，技术较为成熟。通常应用于直流电机中，将其与电机调速系统相结合，可以构成直流PWM电路。

2.2 交流变流电路

PWM技术在该类型电路中的应用主要包括矩阵式变频以及斩控式，这两种电路是PWM技术应用典型，在目前阶段仍然应用较少。但与其他电路相比，矩阵式电路有较好的集成可能性，因此，具有较高的应用价值，值得推广与发展。

2.3 逆变电路

逆变电路是所有电路类型中对PWM技术应用最多的电路，最具有典型性。PWM技术在逆变电路中的普及使其在电机控制系统中的地位得到确定。现如今，除去某些功率过大的电路，逆变电路普遍使用PWM技术进行控制。

2.4 整流电路

PWM整流电路是PWM技术在整流电路中的应用，属于PWM技术从逆变电路向整流电路的发展。现阶段，整流电路中PWM控制技术的应用已经得到一定普及，其应用前景较好。

图1 用PW M波代替正弦半波

3 PWM技术应用优势

在电机驱动系统中，其驱动控制的实现主要通过PWM技术对脉冲输入信号参数的改变。根据需求对信号开关时间进行设定，从而调节输出信号，使电机的定位、调速等环节得到有效控制。在实际应用过程中人们发现，脉冲信号的开关有两种控制方式：①PFM技术。保持导通信号宽度不变，通过脉冲周期与开关频率的变化实现对负载电压的影响。②PWM技术。改变信号宽度，使负载电压产生变化，同时，保持信号周期与开关频率不变。PFM控制技术使脉冲频率产生较大的改变。当其频率处于较高状态，会使器件出现严重损耗，影响其使用寿命；而较低的频率极易对人体听觉器官产生影响，使人感受到较大的噪声。其控制效率受器件关断速度的影响，不易实现功能的充分发挥。如果脉冲频率具有特殊性，则会使电机系统出现机械谐振问题，对设备内部造成影响，使其音频出现啸叫，系统发生振荡，不利于实现有效的电机驱动控制。PWM控制技术在应用中，其脉冲频率不发生变化，因此，能够有效避免以上问题的出现，且PWM技术不需要改变开关频率，可以使因器件开关问题而导致的电磁干扰有效消除。PWM技术已经在电机驱动控制系统中得到广泛应用。

4 PWM控制技术的基本原理

4.1 理论基础

对采样控制理论进行使用时，可以得到的一个重要理论为冲量相等，但是运作形式有差异的窄脉冲在具备惯性的环节上基本的效果是相同的，其中的冲量指的是窄脉冲的面积，在作用的效果上基本一致，即窄脉冲的输出响应的波形很相似。低频段上的数据显示也是非常接近的，唯一存在差异的位置在高频段上。所以，研究人员将这种采样控制形式称为面积等效原理，这种原理是PWM控制理论使用的主要参考。用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，把正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；矩形脉冲代替，脉冲等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。如图1所示。将该等幅而不等宽的脉冲施加于被控对象上，可以起到对被替代的正弦半波的控制效果。这些等幅而不等宽的脉冲即PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化且与正弦波冲量等效的PWM波形也被称为SPWM波形。

4.2 PWM逆变电路载波调制法

目前，电机驱动中的PWM技术是中小逆变功电路运行中较为受欢迎的一种。原因是这种技术可以通过等腰三角波或锯齿波作为载波的进行数据整理过程中的调制。这其中的等腰三角波技术应用的频率较高，原因是这种技术的优势在实际应用过程中较为明显，其中，任何一点水平宽度或高度的线性平衡状态出现问题后，等腰三角波都有对应的方法进行处理，等腰三角波在线性关系上的平衡占有优势以外，还左右对称。与平缓的调制信号相交以后，可以在实际运行中的控制器上进行通断处理，进而得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。这种波幅在应用的过程中符合PWM技术适配上的要求。以正弦波状态的模式运行的调制信号，就是SPWM波；如果调制信号不是正弦波，而是其他形式的波形，也可以得到等效PWM波。

5 结论

综上所述，现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本；另一方面，又不断有技术指标及其苛刻的特殊应用的系统需求出现。笔者相信，随着人们对计算机控制技术应用的不断深入，将带动电动机系统的飞速发展，接下来仍要我们不断学习新的电力电子技术，实现PWM技术的完善与发展，从而为电机驱动水平提升提供条件。

［1］费新华.基于PWM控制的直流电机驱动设计［J］.数字技术与应用，2012（11）：155-156.

［2］孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［3］于建立，张占福.机电一体化中的电机控制与保护探讨［J］.现代工业经济和信息化，2016，6（11）：71-72.