脉冲宽度控制pwm的工作原理

脉冲宽度控制pwm的工作原理和模拟电路PWM的实现

　1 脉冲宽度控制pwm的工作原理

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
　　PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆　变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

　理论基础：
　　　冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

         　　　　　图1　形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
　　分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

　　　　　　　　图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
　　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，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，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

　　　　　　　图3 用PWM波代替正弦半波
　　要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
PWM电流波： 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。
PWM波形可等效的各种波形：
直流斩波电路：等效直流波形
SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）原理：
        脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图1所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。
 
 
      通过图1b的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻t k时的语音信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中tk-kTs<<Ts的情况，均匀采样和非均匀采样差异非常小。如果假定采样为均匀采样，第k个矩形脉冲可以表示为：
                            （1）
其中，x{t}是离散化的语音信号；Ts是采样周期； 是未调制宽度；m是调制指数。
 然而，如果对矩形脉冲作如下近似：脉冲幅度为A，中心在t = k Ts处，  在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波x_p(t)可以表示为：
                            （2）
其中，  。无需作频谱分析，由式（2）可以看出脉冲宽度信号由语音信号x(t)加上一个直流成分以及相位调制波构成。当  时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。