如何通俗易懂地解释「脉冲宽度调制(pwm)」?

发布网友发布时间：2024-10-06 01:58

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学过电力电子的小伙伴们都知道，电力电子领域有四大基础应用：整流、逆变、变压、斩波。

在这四大应用中，变压（c）和斩波（d）是变压器制作和开关电源领域的专业话题，因此在这里不作深入探讨。

我们关注的是“整流”（a）和“逆变”（b），尤其是在工业领域中的变频器应用。变频器将380V工频标准正弦波电压整流为直流电，再通过逆变过程将直流电转换为适合电机使用的交流电。

对于电动汽车行业而言，电机控制器直接面对的是几百伏的直流电，因此逆变过程更为直接，无需经过整流阶段。电机控制的核心在于将输入电能转化为交流电，输入电机定子三相绕组，而这个交流电采用了一种特殊形式——PWM（脉冲宽度调制）交流电。

理解PWM交流电需要从三极管的控制特性入手。三极管有三个端口，控制端可以施加不同强度的信号，使输出端导通或关断。这三种状态与数字电子技术中的“非0即1”理念紧密相关，即三极管处于饱和区（开通）或截止区（关断），或在放大区进行信号放大。

在PWM技术中，我们利用开关电子器件（如IGBT、MOSFET）通过控制直流电回路的导通与关断来产生PWM交流电。具体操作是将标准正弦波电压分割成一个个幅值相同、宽度不同的矩形波，这些矩形波的宽度与周期的比例称为占空比。通过调节占空比，可以改变PWM交流电的幅值，进而控制交流电压的大小。

在电机控制中，PWM技术被广泛应用于实现交流电压幅度和频率的控制。通过调整占空比和载波频率，可以精确控制输出交流电压的波形和大小，从而提高交流电压的线电压与直流电压之比，即提高母线电压利用率。理论上，较高的载波频率可以带来更精确的交流电压波形，但同时也需要考虑开关器件的损耗和自身限制。

在实际应用中，电机控制经常使用SPWM（正弦波脉宽调制）方法，通过注入三角波作为载波，根据电压传感器对目标正弦波的采样结果，控制开关器件的开通和关断，从而输出近似等效于目标正弦波的PWM信号。而在电动汽车电机控制器中，由于需要在未知电压和频率的情况下实现控制，采用SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）算法更为合适。SVPWM通过更复杂的数学模型和策略，能够在有限的直流电压条件下输出更高的交流电压，提高电压利用率。

总之，PWM技术在电机控制中的应用既依赖于基本的电力电子原理，也涉及到高精度的数学模型和算法。通过合理设计和优化，PWM技术能够实现高效、灵活的电机驱动，满足不同应用场景的需求。