PID功能详解及PWM波地产生和PWM波形生成原理

1、wordPID功能详解一、PID限制简介PID( Proportional Integral Derivative) 限制是最早开展起来的限制策略 之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程限制,尤 其适用于可建立准确数学模型确实定性限制系统.在工程实际中,应用最为广泛的调节器限制规律为比例、积分、微分限制, 简称PID限制,又称PID调节,它实际上是一种算法.PID限制器问世至今已有 近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控 制的主要技术之一.当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到准确的数 学模型 时,限制理论的其它技术难以采用时,系统

2、限制器的结构和参数必须依 靠经验和现场调试来确定,这时应用PID限制技术最为方便.即当我们不完全了 解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适 合用PID限制技术.PID限制,实际中也有PI和PD限制.PID限制器就是根据 系统的误 差,利用比例、积分、微分计算出限制量进展限制的.从信号变换的角度而言,超前校正、滞后校正、滞后-超前校正可以总结为 比例、积分、微分三种运算与其组合.PID 调节器的适用围：PID调节限制是一个传统限制方法,它适用于温度、 压力、流量、液位等几乎所有现场,不同的现场,仅仅是PID参数应设置不同,只要参数设置得当均可以到达很好的效果.均可以

3、到达0.1%,甚至更高的限制要求.PID限制的缺乏1.在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定,难以建立准确的数学模 型,常规的PID限制器不能到达理想的限制效果；2.在实际生产现场中,由于 受到参数整定方法烦杂的困扰,常规 PID限制器参数往往整定不良、效果欠佳, 对运行工况的适应水平很差.二、PID限制器各校正环节任何闭环限制系统的首要任务是要稳稳定、快快速、准准确的响 应命令.PID调整的主要工作就是如何实现这一任务.增大比例系数P将加快系统的响应,它的作用于输出值较快,但不能很好1 / 25word稳定在一个理想的数值,不良的结果是虽较能有效的克制扰动的影响, 但有余差 出现,过大

4、的比例系数会使 系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏. 积分能在比例的根底上消除余差,它能对稳定后有累积误差的系统进展误差修 整,减小稳态误差.微分具有超前作用,对于具有容量滞后的限制通道,引入微 分参与限制,在微分项设置得当的情况下,对于提升系统的动态性能指标,有着 显著效果,它可以使系统超调量减小,稳定性增加,动态误差减小.综上所述,P比例限制系统的响应快速性,快速作用于输出,好比 "现在" 现在就起作用,快,I积分限制系统的准确性,消除过去的累积误差,好比 "过 去"去除过去积怨,回到准确轨道,D1微分限制系统的稳定性,具有超 前限制作用,

5、好比"未来放眼未来,未雨绸缪,稳定才能开展.当然这个结 论也 不可一概而论,只是想让初学者更加快速的理解 PID的作用.在调整的时候,你所要做的任务就是在系统结构允许的情况下, 在这三个参 数之间权衡调整,到达最优限制效果,实现稳快准的限制特点.比例限制可快速、与时、按比例调节偏差,提升限制灵敏度,但有静差,控 制精度低.积分限制能消除偏差,提升限制精度、改善稳态性能,但易引起震荡, 造成超调.微分限制是一种超前限制,能调节系统速度、减小超调量、提升稳 定性,但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小如此调节周期长、效果 不显著.比例、 积分、微分限制相互配合,合理选择 PID调节

6、器的参数,即比 例系数KR积分时间常数p i和微分时间常数p D,可迅速、准确、平稳的消除 偏差,到达良好的限制效果.1.比例环节成比例地反映限制系统的偏差信号 e(t),偏差一旦产生,限制器立即产生 限制作用,以减小偏差.当仅有比例限制时系统输出存在稳态误差Steady-state error.P 参数越小比例作用越强,动态响应越快,消除误差的水平越强.但实际系统是有惯性的,限制输出变化后,实际 y(t)值变化还需等待一段时间才会缓慢 变化.由于实际系统是有惯性的,比例作用不宜太强,比例作用太强会引起系 统振荡不稳定.P参数的大小应在以上定量计算的根底上根据系统响应情况,现2 / 25wor

7、d场调试决定,通常将P参数由大向小调,以能到达最快响应又无超调(或无大的 超调)为最优参数.优点：调整系统的开环比例系数,提升系统的稳态精度,减低系统的惰性,加快 响应速度.缺点：仅用P限制器,过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大, 而且会使 系统稳定裕度变小,甚至不稳定.2.积分环节限制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系.主要用于消除静差,提升 系统的无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大,积分作用越弱,反之如此越强.为什么要引进积分作用？比例作用的输出与误差的大小成正比,误差越大,输出越大,误差越小,输 出越小,误差为零,输出为零.由于没有误差时输出为零,因此比例调节

8、不可能 完全消除误差,不可能使被控的 PV值到达给定值.必须存在一个稳定的误差, 以维持一个稳定的输出,才能使系统的 PV值保持稳定.这就是通常所说的比例 作用是有差调节,是有静差的,增强比例作用只能减少静差,不能消除静差(静差：即静态误差,也称稳态误差).为了消除静差必须引入积分作用,积分作用可以消除静差,以使被控的y(t) 值最后与给定值一致.引进积分作用的目的也就是为了消除静差,使 y(t)值达 到给定值,并保持一致.积分作用消除静差的原理是,只要有误差存在,就对误差进展积分,使输出 继续增大或减小,一直到误差为零,积分停止,输出不再变化,系统的 PV值保 持稳定,y(t)值等于u(t)

9、值,到达无差调节的效果.但由于实际系统是有惯性的,输出变化后,y(t)值不会马上变化,须等待一 段时间才缓慢变化,因此积分的快慢必须与实际系统的惯性相匹配, 惯性大、积 分作用就应该弱,积分时间I就应该大些,反之而然.如果积分作用太强,积 分输出变化过快,就会引起积分过头的现象,产生积分超调和振荡.通常I参数 也是由大往 小调,即积分作用由小往大调,观察系统响应以能到达快速消除误 差,到达给定值,又不引起振荡为准.对一个自动限制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,如此称这个限制系3 / 25word统是有稳态误差的或简称有差系统System with Steady-state Error .为

10、了 消除稳态误差,在限制器中必须引入“积分项.积分项对误差取决于时间的积 分,随着时间的增加,积分项会增大.这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动限制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零.因此,比例+积分(PI)限制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差.PI限制器不但保持了积分限制器消除稳态误差的 “记忆功能,而且克制了单独使 用积分限制消除误差时反响不灵敏的缺点.优点：消除稳态误差.缺点：积分限制器的参加会影响系统的稳定性,使系统的 稳定裕度减小.3.微分环节反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一 个有效的早期修正信号,从而加快系统的动

11、作速度,减少调节时间.在微分限制 中,限制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系. 为什么要引进微分作用？前面已经分析过,不管比例调节作用,还是积分调节作用都是建立在产生误 差后才进展调节以消除误差,都是事后调节,因此这种调节对稳态来说是无差的, 对动态来说肯定是有差的,由于对于负载变化或给定值变化所产生的扰动,必须等待产生误差以后,然后再来慢慢调节予以消除.但一般的限制系统,不仅对稳定限制有要求,而且对动态指标也有要求,通 常都要求负载变化或给定调整等引起扰动后, 恢复到稳态的速度要快,因此光有 比例和积 分调节作用还不能完全满足要求,必须引入微分作用.比例作用和积 分作用是事

12、后调节(即发生误差后才进展调节),而微分作用如此是事前预防控 制,即一发现y(t)有变大或变小的趋势,马上就输出一个阻止其变化的限制信 号,以预防出现过冲或超调等.D越大,微分作用越强,D越小,微分作用越弱. 系统调试时通常把D从小往大调,具体参数由试验决定.如：由于给定值调整或负载扰动引起 y(t)变化,比例作用和微分作用一定 等到y(t)值变化后才进展调节,并且误差小时,产生的比例和积分调节作用也 小,纠正误差的水平也小,误差大时,产生的比例和积分作用才增大.由于是 事后调节动态指标不会很理想.而微分作用可以在产生误差之前一发现有产生误 差的趋势就 开始调节,是提前限制,所以与时性更好,可

13、以最大限度地减少动4 / 25word态误差,使整体效果更好.但微分作用只能作为比例和积分限制的一种补充,不能起主导作用,微 分作用不能太强,太强也会引起系统不稳定,产生振荡,微 分作用只能在P和I调好后再由小往大调,一点一点试着加上去.自动限制系统在克制误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳.其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用, 其变化总是落后于误差的变化.解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前, 即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零.这就是说,在限制器中仅引入 “比例项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加 的是“

14、微分项,它能预测误差变化的趋势.这样,具有比例+微分的限制器,就能 够提前使抑制误差的限制作用等于零,甚至为负值,从而预防了被控量的 严重超调.所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例 +微分(PD)限制器能改善 系统在调节过程中的动态特性.PD限制只在动态过程中才起作用,对恒定稳态 情况起阻断作用.因此,微分限制在任何情况下都不能单独使用.优点：使系统的响应速度变快,超调减小,振荡减轻,对动态过程有“预测作 用.在低频段,主要是PI限制规律起作用,提升系统型别,消除或减少稳态误 差；在中高频段主要是PD规律起作用,增大截止频率和相角裕度,提升响应速 度.因此,限制器可以全面地提升系统的限制性能

15、.三、PID限制器的参数整定PID 限制器的参数整定是限制系统设计的核心容.它是根据被控过程的特性确定PID限制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小.PID限制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类：1 .理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定限制器参数.这种方法所 得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进展调整和修改.2 .工程整定方法它主要依赖工程经验,直接在限制系统的试验中进展,且方法简单、易于掌 握,在工程实际中被广泛采用.PID限制器参数的工程整定方法,主要有临界比5 / 25word例法、反响曲线法和衰减法.三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,

16、 然后根据工程经验公式对限制器参数进展整定. 但无论采用哪一种方法所得到的 限制器参数, 都需要在实际运行中进展最后调整与完善.现在一般采用的是临 界比例法.利用该方法进展 PID限制器参数的整定步骤如下：1首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；2仅参加比例限制环节,直 到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周 期；3在一定的限制度下通过公式计算得到 PID限制器的参数.PID调试一般原如此a.在输出不振荡时,增大比例增益P.b.在输出不振荡时,减小积分时间常数Ti0 c.在输出不振荡时,增大微分时间常数 Td.PID调试一般步骤a.确定比例增益P确定比例增益

17、P时,首先去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti=0、Td=0 具体见PID的参数设定说明,使PID为纯比例调节.输入设定为系统允许的 最大值的60%70%由0逐渐加大比例增益 P,直至系统出现振荡；再反过来, 从此时的比例增益P逐渐减小,直至系统振荡消失,记录此时的比例增益P,设定PID的比例增益P为当前值的60%70%比例增益P调试完成.b.确定积分时间常数Ti比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数 Ti的初值,然后逐渐减 小Ti ,直至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Ti ,直至系统振荡消失.记录此时的Ti ,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%积分时间 常

18、数Ti调试完成.c.确定积分时间常数Td积分时间常数Td 一般不用设定,为0即可.假设要设定,与确定P和Ti的 方法一样,取不振荡时的30%d.系统空载、带载联调,再对 PID参数进展微调,直至满足要求.变速积分的根本思想是,设法改变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对6 / 25word应：偏差越大,积分越慢；反之如此越快,有利于提升系统品质.PW械的产生PWhfi制方式广泛应用于各种限制系统中,但对脉冲宽度的调节一般采用硬 件来实现.如使用PW肺制器或在系统中增加 PWMfe路1等,如此本钱高、响 应速度慢,而且PW棉制器与系统之间存在兼容问题.另外,限制系统中的信号 采样通常是由A/D转

19、换器来完成,因此检测精度要求较高时,调理电路复杂,而 且因A/D的位数高,从而使设计的系统本钱居高不下.本文以应用于温度限制系统为例,介绍利用Motorola公司生产的新型单片机MSP430F413定时器Time_A设计可以用时间量进展温度采样以与实现 PWIMH 节的方法.为了可在使用少量外围电路的情况下实现限制系统的高精度测量和控 制,一方面用时间量采样,在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一方 面在定时中断完全用软件实现 PWMS节,以易于进展数据的通信和显示.该系统 在中断可以解决波形产生的实时在线计算和计算精度问题,可准确、实时地计算设定频率下的脉冲宽度.1单片机MSP43

20、0F413定时器MSP43原列J的单片机 F413ft超低功耗和功能集 成上都有一定的特色,可大大减小外围电路的复杂性,它的实时处理水平与各种 外围模块使其可应用在多个低功耗领域 2 .MSP430F41316位定时器Timer_A 有如下主要功能模块.(1) 一个可连续递增计数至预定值并返回0的计数器.(2)软件可选择时钟源.(3)5个捕获/比较存放器,每个有独立的捕获事件.(4)5个输出模块,支持脉宽调制的需要.定时器限制存放器TACTL勺各位可限制Timer_A的配置,并定义16位定时器的根 本操作,可选择原始频率或分频后的输入时钟源与 4种工作模式.另外还有去除 功能和溢出中断限制位.

21、5个捕获/比较存放器CCRX勺操作一样,它们通过各自 的限制存放器CCTLX1展配置.7 / 25word2时间量采样与PWF®制的实现原理 以应用于温度限制系统为例,介绍用定时 器实现信号采样和PWMI制的方法.该温度限制系统包括单片机、温度测量电路、 负载驱动电路与电源限制、低电压检测和显示电路等其他外围局部.单片机MSP430F413用于测量和限制温度的主要 I/O 口有：P1.0:输出50Hz 方波,用于产生三角波.P1.2:驱动温度限制执行元件,2kHz方波PWMf出.P2.0:脉宽捕捉.2.1 单片机端口的中断设置 温度限制系统的50Hz方波输出、PW喻出和输入捕 捉都是

22、由定时中断来实现.这3个中断分别由PR P1和P2口的外围模块引起,属 于外部可屏蔽中断.初始化时,对这3个I/O 口进展中断设置,并对Time_A限制 存放器TACT段置,包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK?.当定义完捕获 /比较存放器后,重新赋值TACTL启动定时器,开始连续递增计数.2.2 脉宽捕捉实现温度值的采样 温度测量电路将温度值转换为电压值,同时单 片机产生的50Hz方波经电容充放电电路变换得到同频率的三角波,其电压值切 割三角波,从而将温度值转换为相应宽度的脉冲送入单片机.波形变化如图1所示.通过设置CCTL井的模式位,可将对应的捕获/比较存放器CCR殁定为捕获模式, 用

23、于时间事件的准确定位.如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿,如此定时器计数的值将被复制到 CCR叶.根据这一原理,选定P2.0为输入引脚, 设置CCTL为捕获模式,所测温度值由模拟量经测量电路转换为脉冲后,P2.0捕捉脉冲下降沿,进入中断T2,得到与温度值一致的单位时间的脉冲数, 存入CCR2 作进一步处理.这样,系统就在不使用A/D转换器的情况下完成了模数转换.由于单片机的时钟 准确度高,而且时间量是一个相对精度极高的量, 但本系统中用时间量进展温度 采样可获得12位的高精度,同时采用50Hz脉冲,可以大大消除工频干扰.这些8 / 25word都为进展准确的温度限制提供了必要的条件.2

24、.3 PWM信号生成原理 将捕获/比较存放器CCR0 CCR定义为比较模式,它们 的输出单元OUT和OUT分别对应单片机引脚 P1.0TA0和P1.2TA1.进入 比较模式后,如果定时器 CCRX勺计数值等于比较存放器x中的值,如此比较信 号EQUX俞出到输出单元OUTX,同时根据选定的模式对信号置位、复位或翻转. 其中：设置EQU% OUT0J号翻转,信号时钟与定时器时钟同步,这样就可以在 P1.0弓唧上得至1150Hz的方波信号；设置EQU输出模式为PWMT位/置位.设定模式下定时中断的输出如图2所示.根据设定的 PWMT位/置位模式,假设 CCR计数器溢出,如此 EQU将OUT便位；假设

25、CCR计数器溢出,如此 EQU/ OUT置位.利用CCR0口 CCR1数起始点的差值,实现占空比的变化,从而在P1.2 上完成PW麻出.系统对占空比白调节是通过改变 CCR的基数来实现的.定时 器时钟为2MHz CCR和CCR0计数值为1 000时,可获得2kHz的PW喻出频率.负载驱动电路将单片机P1.2引脚输出的PWM9号放大滤波,用于驱动大功率的 执行元件.t |' FW MI 11 EQI 1 孙JTAtn 卬 I； £5 03软件设计3.1系统主程序在主程序中包括系统初始化、定时器的初始化、温 度采样值的读入、负载驱动和显示等.系统进展温度值采样和PW嘛出均在定时

26、中断完成,PWM&出脉冲的占空比方此由PID算法得到.系统主程序流程图如图3所示.9 / 25word3.2 PID脉宽调节 系统对脉宽的调制由PID算法实现.根据算法原理,本系统 设计了一套完全由软件实现的 PID算法,并且在限制过程中完成参数的自整定. PID调节的限制过程：单片机读出数字形式的实际温度Tn,然后和设定温度Tg相比较,得出差值en=Tn-Tg,根据en的正负和大小,调用PID公式,计算得到 与输出电压A un 一致的占空比,调节温度的升降,同时寻找最优条件,改变PID 参数.增量式PID限制算法的输出量3:IAU.般帆飘仪力丁业计7771-2£1?扪式中：

27、工4“17分别为第丘次m 1 ：a fll/i-2次的偏均分别为比例系效,积分系数、糖分系数尸为栗样周期,对邛Q一巧玲PID调节程序直接写入单片机,根据得到的值改变计数器 CCR的基数值,从而改变输出脉冲的占空比,到达调节 PWMJ目的3.3 定时中断 定时中断子程序流程如图4所示.系统采用的晶振频率为2MHz T0 中断的作用是得到频率为50Hz、占空比为90%勺方波,用以产生三角波,并检查1 个周期是否有漏采的数据.T0奠溢出翻转为高电平,输出比较间隔为18ms其中,10 / 25wordT1中断处理的是限制端口的PWM出,并检查1个周期是否重复采集数据,T1输 出比较产生低电平,输出比较

28、间隔为20ms T2中断捕捉温度测量端口的脉宽,得 到所测的温度值.4完毕语 利用单片机MSP430F413定时器Time_A进展温度采样以与实现 PWM 调节的方法,可以广泛用于具有端口捕捉功能的单片机中.与传统方法比较,它不仅可以简化测量和限制电路的硬件结构,而且可以方便地建立人机接口,实现用软件调整参数,使限制更准确、实时、可靠.经过实验,该方法应用于温度控 制系统中获得了预期的准确PWM节波形.该方法同样可以用于其他单片机限制 系统中.PW眼术编辑PWM1一种对模拟信号电平进展数字编码的方法.通过高分辨率计数器的使11 / 25word用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平

29、进展编码.PWM1号仍然是数字的,由于在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么 完全无(OFF).电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模 拟负载上去的.通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候.只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWMtt展编码.简介脉宽调制PWM:(Pulse Width Modulation 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进展限制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中.优点PWM勺一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,在进展数模转 换.可将噪声影响降到

30、最低可以话跟电脑一样.噪声只有在强到足以将逻辑1 改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时,也才能对数字信号产生影响.对噪声反抗水平的增强是PWM目对于模拟限制的另外一个优点, 而且这也是 在某些时候将PWMB于通信的主要原因.从模拟信号转向PWW以极延长通信距 离.在接收端,通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号复原为 模拟形式.PWM空制技术一直是变频技术的核心技术之一.1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推 广应用开辟了新的局面.从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制spwMJ号

31、以限制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的 实时在线的PWM&号输出,可以说直到目前为止,PWMfc各种应用场合仍在主导 地位,并一直是人们研究的热点.12 / 25word由于pwiw以同时实现变频变压反抑制谐波的特点.由此在交流传动与至其它能量变换系统中得到广泛应用.pwM!制技术大致可以分为三类,正弦pwte 括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种 PW此案,多重pw如应归于此类, 优化PWMf随机PWM正弦PWI®为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波 形,降低电源系统谐波的多重 PWMK术在大功率变频器中有其独特的优势如 ABBACS100康列和美

32、国ROBICO映司的完美无谐波系列等；而优化PWMT追求 的如此是实现电流谐波畸变率THD最小,电压利用率最高,效率最优,与转 矩脉动最小以与其它特定优化目标.在70年代开始至80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极 管,载波频率一般最高不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音与谐波引起的振动引起 人们的关注.为求得改善,随机PW0法应运而生.其原理是随机改变开关频率 使电机电磁噪音近似为限带白噪音 在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均 匀的,尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大 大削弱.正由于如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限 制在

33、较低频率的场合,随机 PWM05然有其特殊的价值DTC限制即为一例；别 一方面如此告诉人们消除机械和电磁噪音的最优方法不是盲目地提升工作频率, 由于随机PWMfc术提供了一个分析、解决问题的全新思路.几种PWMI制方法采样限制理论中有一个重要结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯 性的环节上时,其效果根本一样.PWM限制技术就是以该结论为理论根底,对半 导体开关器件的导通和关断进展限制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相 等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规如此对各 脉冲的宽度进展调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率 .PWM§制的

34、根本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件电力电子技术, 微电子技术和自动限制技术的开展以与各种新的理论方法,如现代限制理论,非13 / 25word线性系统限制思想的应用,PWM空制技术获得了空前的开展.到目前为止,已出 现了多种PWMI制技术,根据PWM1制技术的特点,到目前为止主要有以下 8类 方法.1相电压限制PWM等脉宽PWMVVVF(Variable Voltage Variable Frequency装置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation限制技术来实现的,具逆变器局部只能输出频率可调的 方波电压而不能调压.等脉宽PWM1为了克制PAM法的这

35、个缺点开展而来的,是 PWMfc中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWMfe,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当 限制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM?去,该方法的优点是简化了电 路结构,提升了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外, 还包含 较大的谐波分量.随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极 性达林顿三极管,载波频率一般不超过 5kHz,电机绕组的电磁噪音与谐波造成的 振动引起了人们的关注.为求得改善,随机PWMT法应运而生.其原理是随机改变 开关频率使电机电磁噪首近似

36、为限带白噪声在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的,尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪 音强度大大削弱.正由于如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率 必须限制在较低频率的场合,随机PWM5然有其特殊的价值；另一方面如此说明 了消除机械和电磁噪音的最优方法不是盲目地提升工作频率,随机PW眼术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路.SPW昧SPWM(Sinusoidal PWM法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM!.前14 / 25word面提到的采样限制理论中的一个重要结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时,其效果根本一样.SP

37、WMI就是以该结论为理论根底,用脉冲 宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PW瞰形即SPW帔形限制逆变电路中开 关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间的 面积相等,通过改变调制波的频率和幅值如此可调节逆变电路输出电压的频率和 幅值.该方法的实现有以下几种方案.等面积法该方案实际上就是SPW怅原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的 矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微 机中,通过查表的方式生成 PWM1号限制开关器件的通断,以到达预期的目的 由于此方法是以SPW肺制的根本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件 的通断时刻,其所

38、得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用存大, 不能实时限制的缺点.硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把承受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所 期望的PW瞰形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所 得到的就是SPW帔形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦 调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进 展限制,就可以生成SPW跛.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现准确的控 制.软件生成法由于微机技术的开展使得用软件生成 SPW极形变得比较容易,因此,软件

39、 生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,具有两种 根本算法,即自然采样法和规如此采样法.15 / 25word自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进展比较,在两个波形的自然交点时 刻限制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPW帔形最接近正弦 波,但由于三角波与正弦波交点有任意性, 脉冲中央在一个周期不等距,从而脉 宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时限制 .规如此采样法规如此采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进展采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻限制开关器件的通断,从而实现SPW昧.

40、当三角波只在其顶点或底点位 置对正弦波进展采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期即采样周期的位置是对称的,这种方法称为对称规如此采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进展采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的 脉宽,在一个载波周期此时为采样周期的两倍的位置一般并不对称,这种方 法称为非对称规如此采样.规如此采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在 线实时运算,其中非对称规如此采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性限制围较小.以上两种方法均只适用于同步调制方式中.低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去 PW械形中某些主要的低次谐波

41、为目的的方法.其 原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为 ucot)=ansinn cot,首先确定 基波分量al的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2 与a3,这样就可以消去两个频率的谐波.该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次16 / 25word谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的, 从而无视 了直流电压的利用率,如 SPW%,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提 高直流电压利用率,提出了一种

42、新的方法-梯形波与三角波比较法.该方法是采 用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻 限制开关器件的通断实现PWMI制.由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三 角波幅值,从而可以有效地提升直流电压利用率 .但由于梯形波本身含有低次谐 波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.线电压限制PWM前面所介绍的各种PWM!制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电 压分别进展限制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的 三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦, 而可着眼于使线电 压趋于正弦.因此,提出了线电压限

43、制PWM主要有以下两种方法.马鞍形波与三角波比较法马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入 PWM?式HIPWM,其原理是在正 弦波中参加一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低, 于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅 值,提升了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波4.除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他 3倍频于正弦波信号的其他波 形,这些信号都不会影响线17 / 25word电压.这是由于,经过PWMI制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的 3 倍频于正弦波信号的谐波,但在

44、合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵 消,从而使线电压仍为正弦波.单元脉宽调制法由于,三相对称线电压有 Uuv+Uvw+Uwu的关系,所以,某一线电压任何时 刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为 6个区间,每区间60° ,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边600区间用Uuv本身表示,中间 600区间用-(Uvw+Uwii表示,当将Uvw和Uwurf乍同样处理时,就可以得到三相 线电压波形只有半周两边600区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电 压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近 似实践明确,这样做引起的误差不大,完全

45、可行,就可以得到线电压的脉冲 波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相, 因此,只要半个周期两边600区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就 唯一地确定了 .这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于三相线电压的 脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了.该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性限制区, 同时还能带来用微机限制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用围较小.电流限制PWM电流限制PWMJ根本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号, 把实际的 电流波形作为反响信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断, 使实 际

46、输出随指令信号的改变而改变P4SEL=0X0EP4DIR=0xFF;P4OUT=0xFFTBCCTL= OUTMOD_77; CCRTeset/setTBCCTL2= OUTMOD_7/ CCR2 reset/set TBCCTL3= OUTMOD_7/ CCR318 / 25wordreset/set TBCCR0=5000; TBCCR1=pwm1d1TBCCR2=pwm2d1TBCCR3=pwm3d1; TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR + MC_1;/MCLK,UF变 TBCCR1,TBCCR2,TBCCR3 改变占空比.TA的你自已改吧.单片机要选 TA可以输出7路P

47、WMhPW快形生成原理脉宽调制Pulse-Width Modulation , PWM术在电力电子领域的应用极其 广泛.PWM1式是决定逆变器输出电压特性的根本.性能优越的PWM1式可以使逆变器具有良好的输出特性.由傅里叶分析可知,不对称波形会带来大量低次谐 波、偶次谐波以与余弦项.因此 PW啾冲波形的对称性对输出特性有很大影响. PWMJ实现方法一般有两种：比较法和计算法.随着数字技术的迅速开展和计算 机功能的提升,计算法以其方便灵活的特点成为 PW位现方法的主流.采用计算 法实现PWW,根据每个载波周期调制波的取法, 可以分为规如此采样PWM口自 然采样PWM其中,采用规如此采样法,计算简

48、单,占用系统软件资源较少,因 而应用比较广泛；但是由规如此采样法计算出的 PW班形,在系统载波频率较低 时,输出精度差,并且在计算时需要通过查表确定计算结果,所以并不能保证其波形的对称性,谐波含量也会由于波形的不对称而增加.对于调制类PWM有三种方式：同步调制,异步调制,分段同步调制三种方式.同步调制虽然可以 在调制波频率变化的所有围,载波与调制波的相位一样,PWMt形一直保持对称,输出谐波的低次谐波可以得到消除.但是在载波频率变化围大时,电力电子器件的开关频率变化围大,在低频时,将给系统引入大量较低频率的谐波. 异步 调制的优点在于载波频率在调速过程中载波不变,高次谐波对系统的影响根本固 定

49、,可以弥补同步调制的缺点.但是异步调制无法在大局部频率点上都保证调制 波与载波相位相对的固定,出现不对称波形,会给系统引入大量的低次谐波、偶 次谐波和余弦项.分段同步调制可以综合以上两种方式的优点,但在波比切换时可能出现电压突变,甚至震荡.基于以上理论,本文提出一种新的PWMJ法,可以在异步调制下,使PW极形在T/2周期始终保持关于T/4周期的完全对称.1 PWMT法原理 在用数字化限制技术产生PW嘛冲时,三角载波实际上 是不存在的,完全由软件与硬件定时器代替,图1为三角载波的产生原理Ttimer 为定时器的值用阶梯波代替模拟三角波.PWMt冲的产生机理为：定时器重复 根据PW晒期进展计数.比

50、较存放器用于保持调制值,比较存放器中的值与定时19 / 25word器计数器的值相比较,当两个值匹配时,PWM俞出就会跳变；当两个值产生二次匹配或者一个定时器的周期完毕时,就会产生第二次输出跳变.通过这种方式 就会产生一个周期与比较存放器值成比例的脉冲信号. 在比较单元中重复完成计 数、匹配输出的过程,产生 PW时号,如图2所示.III三斯M述S产生感短国2 学4匕拉*产生PWM仆号机应基于数字化限制技术产生PW啾冲的这种特点,利用本文提出的算法,可以 实现在任何频率下产生完全对称的 PW极形.其原理为：根据三角载波频率与 DSP系统时钟频率确定定时器周期,利用数学计算方法,将形成载波的定时器周 期等分,均分后所得到的数作为脉宽增量单元,随时间递增.脉宽以脉宽增量为单元成比例地增加或减少.三角载波由软件与硬件定时器形成,三角载波的频率由时钟频率与定时器的周期 值决定.根据需要可以选取一个定时器周期T1,以确定调频过程中的固定载波频率.由于载波频率不变,故整个调频过程的载波比是变动的, 可先设定在一个 固定的输出波频率fl下的载波比为n1,对所需的输出频率f对应的周期为T 进展处理,如式1所示,x为f处理后