PWM技术在电机驱动控制中的应用初论

PWM技术在电机驱动控制中的应用初论

陈卫忠郭德孺

（广东电网有限责任公司惠州供电局516000）

摘要：科学技术的发展令电动机向着数字化方向不断发展，为提高电动机一体化水平，实现对其数字化的有效控制，需要寻求有效方式对电机进行控制。PWM技术能够充分满足电机电路控制需求，将其与数字化技术相结合，提高其控制能力，可以有效促进电机应用水平提升。本文针对PWM技术工作原理进行分析，探讨其在电机中的应用，研究促进其驱动控制能力提高的有效方式。

关键词：PWM；电机驱动；控制技术

PWM技术是脉冲宽度调制技术的简称，电力行业的进步以及电子技术的飞速发展使PWM技术逐渐向着数字化方向转变。电机的驱动控制系统同样发展为数字化方式，这种方式的应用能够有效促进电机运行效率提升，实现电机控制自动化，减少控制过程中出现的失误。具有节约人力物力、提高电机性能、降低运行故障发生几率等优势。电流控制是PWM技术实现的基础，影响着对电机整体的控制，因此要对电流控制方式进行分析，为PWM技术进步提供条件。

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，并且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，而是具有多个方面的。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。PWM属于电机控制系统中对电流进行控制的单元，在实现其电流控制能力前，要对电流控制器进行分析。电流控制器是电机控制系统中实现PWM技术的基础，其控制方法影响着PWM技术的实际应用。因此在电机控制系统中，要将PWM技术与电流控制技术结合，促进技术效用的充分发挥。

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，因此具有较高应用价值，值得进行推广与发展。

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。

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。脉冲信号的开关有两种控制方式，一种是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，这种方式被称为PFM技术；另一种为改变信号宽度，使负载电压产生变化，同时保持信号周期与开关频率不变，这种方式就是PFM技术。在实际应用过程中人们发现，PFM技术在应用中会使脉冲频率产生较大改变，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，使人感受到较高的噪声。并且其控制效率受器件关断速度影响，不易实现功能的充分发挥。若脉冲频率具有特殊性，则会使电机系统出现机械谐振问题，给设备内部造成影响，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。并且PWM技术不需要改变开关频率，可以使因器件开关问题导致的电磁干扰得到有效消除。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是：冲量相等，但是运作形式有差异的窄脉冲压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。就是说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；用矩形脉冲代替，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。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就叫PWM波形。像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。

4.2PWM逆变电路载波调制法

如今，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是锯齿波作为载波的进行数据整理过程中的调制。当然这其中的等腰三角波技术应用的频率较高，原因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是高度的线性平衡状态出现问题，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做通断处理，进而的得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。这种波幅在的应用的过程中符合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；如果调制信号此时不是正弦波，而是其他形式的波形，同样可以的得到等效PWM波。下面结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时Vl和V2通断互补，V3和V4通断也互补。uo正半周，Vl通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，VI和v4导通时，uo等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和Vm续流，Uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VDl和V04流过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和70l续流，uo=0，Uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得．ud和零两种电平。

结论

随着交流伺服驱动系统全数字控制精度的不断提升，这种驱动系统的性能也在不断优化，采用数字方法对脉宽调制作用进行发挥，已经成为电机技术运行发展的主要形式，这种数字脉宽调制方法主要依靠规则采样技术的支持，通过三角载波与调制函数之间的比较将数学方程式进行获得，PWM技术在使用时，也基本由规则采样技术结合数学计算上的方程式对数据结果进行获取。以上对PWM技术应用原理进行了详细分析，探讨了其在电机控制系统中应用的优势。经研究分析可以发现，PWM技术能够有效降低电机损耗，实现运行效率提高，使电机驱动数字化得到发展。因此具有良好应用前景，值得进行推广。需要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。

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基金项目：

广东电网有限责任公司职工技术创新项目：031300KK52180026