簡介
脈寬調制（PWM，Pulse Width Modulation）是利用微處理器的數字輸出來對模拟電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。
優點
PWM的一個優點是從處理器到被控系統信号都是數字形式的，在進行數模轉換。可将噪聲影響降到最低（可以跟電腦一樣）。噪聲隻有在強到足以将邏輯1改變為邏輯0或将邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信号産生影響。
對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模拟控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候将PWM用于通信的主要原因。從模拟信号轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過适當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并将信号還原為模拟形式。
PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。
從最初采用模拟電路完成三角調制波和參考正弦波比較，産生正弦脈寬調制SPWM信号以控制功率器件的開關開始，采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信号輸出，可以說，PWM在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。
由于PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統中得到廣泛應用。PWM控制技術大緻可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目标的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類），優化PWM及随機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目标。
在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，随機PWM方法應運而生。其原理是随機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐标系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關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（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣栅雙極型晶體管）已被廣泛應用，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，随機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為随機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。
幾種PWM控制方法
采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，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提出，但是受電力電子器件發展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現.直到進入上世紀80年代，随着全控型電力電子器件的出現和迅速發展，PWM控制技術才真正得到應用.随着電力電子技術，微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法，如現代控制理論，非線性系統控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發展，已出現了多種PWM控制技術，根據PWM控制技術的特點，主要有以下方法。
等脈寬PWM法
VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置在早期是采用PAM（Pulse Amplitude Modulation）控制技術來實現的，其逆變器部分隻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法的這個缺點發展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。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，采用适當控制方法即可使電壓與頻率協調變化.相對于PAM法，該方法的優點是簡化了電路結構，提高了輸入端的功率因數，但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。
随機PWM
在上世紀70年代開始至上世紀80年代初，由于當時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5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注。為求得改善，随機PWM方法應運而生。
其原理是随機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐标系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關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，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，随機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，随機PWM技術正是提供了一個分析，解決這種問題的全新思路。
SPWM法
SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，使用較廣泛的PWM法。
前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，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關器件的通斷，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内的面積相等，通過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。該方法的實現有以下幾種方案。
1.等面積法
該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然後計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數據存于微機中，通過查表的方式生成PWM信号控制開關器件的通斷，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點，可以準确地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數據占用内存大，不能實時控制的缺點。
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而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調制信号，把接受調制的信号作為載波，通過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，當調制信号波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形.其實現方法簡單，可以用模拟電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來确定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模拟電路結構複雜，難以實現精确的控制。
3.軟件生成法
由于微機技術的發展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現調制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規則采樣法。
4.自然采樣法
以正弦波為調制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，這就是自然采樣法。其優點是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期内不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。
5.規則采樣法
規則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，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行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現SPWM法。
（1）當三角波隻在其頂點（或底點）位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所确定的脈寬，在一個載波周期（即采樣周期）内的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規則采樣。
（2）當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所确定的脈寬，在一個載波周期（此時為采樣周期的兩倍）内的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規則采樣。
規則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優點就是是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規則采樣法因階數多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制範圍較小。
以上兩種方法均隻适用于同步調制方式中。
低次諧波消去法
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，表示為u（ωt)=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯立求解得a1、a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。
該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩餘未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算複雜的缺點。該方法同樣隻适用于同步調制方式中。
梯形波與三角波比較法
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号，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現PWM控制。
由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，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。
線電壓控制PWM
前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分别進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可着眼于使線電壓趨于正弦。因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法：
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，調制信号便呈現出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調制信号的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線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倍頻于正弦波信号的其他波形，這些信号都不會影響線
電壓.這是因為，經過PWM調制後逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信号的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波将互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。
2.單元脈寬調制法
因為，三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和。把一個周期等分為6個區間，每區間60°，對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊60°區間用Uuv本身表示，中間60°區間用-(Uvw+Uwu）表示，當将Uvw和Uwu作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形隻有半周内兩邊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号，載波仍用三角波，并把各區間的曲線用直線近似（實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行），就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規律性很強，負半周是正半周相應脈沖列的反相，因此，隻要半個周期兩邊60°區間的脈沖列一經确定，線電壓的調制脈沖波形就唯一地确定了.這個脈沖并不是開關器件的驅動脈沖信号，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以确定開關器件的驅動脈沖信号了。
該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關損耗和加寬線性控制區，同時還能帶來用微機控制的方便，但該方法隻适用于異步電動機，應用範圍較小。
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号，把實際的電流波形作為反饋信号，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出随指令信号的改變而改變。其實現方案主要有以下3種。
1.滞環比較法
這是一種帶反饋的PWM控制方式，即每相電流反饋回來與電流給定值經滞環比較器，得出相應橋臂開關器件的開關狀态，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優點是電路簡單，動态性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點是開關頻率不固定造成較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多。
2.三角波比較法
該方法與SPWM中的三角波比較方式不同，這裡是把指令電流與實際輸出電流進行比較，求出偏差電流，通過放大器放大後再和三角波進行比較，産生PWM波。此時開關頻率一定，因而克服了滞環比較法頻率不固定的缺點。但是，這種方式電流響應不如滞環比較法快。
3.預測電流控制法
預測電流控制是在每個調節周期開始時，根據實際電流誤差、負載參數及其它負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調節周期由PWM産生的電壓矢量必将減小所預測的誤差。該方法的優點是，若給調節器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準确的響應。這類調節器的局限性在于響應速度及過程模型系數參數的準确性。
空間電壓矢量控制PWM
空間電壓矢量控制PWM（SVPWM）也叫磁通正弦PWM。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軌迹為目的，用逆變器不同的開關模式所産生的實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關，形成PWM波形。此法從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，以内切多邊形逼近圓的方式進行控制，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場（正弦磁通）。
具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。
1.磁通開環法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調制時提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。
2.磁通閉環式引入磁通反饋，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後，根據誤差決定産生下一個電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音。但由于未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善。
矢量控制PWM
矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是将異步電動機在三相坐标系下的定子電流Ia、Ib及Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐标系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐标系下的直流電流Im1及It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然後模仿對直流電動機的控制方法，實現對交流電動機的控制。其實質是将交流電動機等效為直流電動機，分别對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鍊，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐标變換，實現正交或解耦控制。
但是，由于轉子磁鍊難以準确觀測，以及矢量變換的複雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉子磁鍊在空間上的位置才能實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合帶來不便。
直接轉矩控制PWM
1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（Direct Torque Control，簡稱DTC）。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鍊等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐标系中計算電機磁通和轉矩的實際值，然後，經磁鍊和轉矩的Band-Band控制産生PWM信号對逆變器的開關狀态進行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現無速度傳感器化，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，并以新穎的控制思想，簡潔明了的系統結構，優良的動靜态性能得到了迅速發展。
但直接轉矩控制也存在缺點，如逆變器開關頻率的提高有限制。
非線性控制PWM
單周控制法[7]又稱積分複位控制（Integration Reset Control，簡稱IRC），是一種新型非線性控制技術，其基本思想是控制開關占空比，在每個周期使開關變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術同時具有調制和控制的雙重性，通過複位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信号的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是RS觸發器，開關是任何物理開關，也可是其它可轉化為開關變量形式的抽象信号。
單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個周期内自動消除穩态、瞬态誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。雖然硬件電路較複雜，但其克服了傳統的PWM控制方法的不足，适用于各種脈寬調制軟開關逆變器，具有反應快、開關頻率恒定、魯棒性強等優點。此外，單周控制還能優化系統響應、減小畸變和抑制電源幹擾。
諧振軟開關PWM
傳統的PWM逆變電路中，電力電子開關器件硬開關的工作方式，大的開關電壓電流應力以及高的du/dt和di/dt限制了開關器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子主要發展趨勢之一，它能使變換器體積減小，重量減輕，成本下降，性能提高，特别當開關頻率在18kHz以上時，噪聲将已超過人類聽覺範圍，使無噪聲傳動系統成為可能。
諧振軟開關PWM的基本思想是在常規PWM變換器拓撲的基礎上，附加一個諧振網絡，諧振網絡一般由諧振電感、諧振電容和功率開關組成。開關轉換時，諧振網絡工作使電力電子器件在開關點上實現軟開關過程，諧振過程極短，基本不影響PWM技術的實現。從而既保持了PWM技術的特點，又實現了軟開關技術。但由于諧振網絡在電路中的存在必然會産生諧振損耗，并使電路受固有問題的影響，從而限制了該方法的應用。
