2022年PID功能详解与PWM波产生和PWM波形生成原理

1、PID 功能详解 一、 PID 掌握简介 PID Proportional Integral Derivative掌握是最早进展起来的掌握策略之一,由于其算法简洁、鲁棒性好和牢靠性高,被广泛应用于工业过程掌握,尤 其适用于可建立精确数学模型的确定性掌握系统；在工程实际中,应用最为广泛的调剂器掌握规律为比例、积分、微分掌握,简称 PID 掌握,又称 PID 调剂,它实际上是一种算法；PID 掌握器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简洁、稳固性好、工作牢靠、调整便利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把握,或得不到精确的数学模型 时,掌握理论的其它技术难以采纳时,系

2、统掌握器的结构和参数必需依靠体会和现场调试来确定, 这时应用 PID 掌握技术最为便利； 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 掌握技术； PID 掌握,实际中也有PI 和 PD掌握； PID 掌握器就是依据系统的误 差,利用比例、积分、微分运算出掌握量进行掌握的；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、微分三种运算及其组合； PID 调剂器的适用范畴： PID 调剂掌握是一个传统掌握方法, 它适用于温度、压力、流量、液位等几乎全部现场,不同的现场,仅仅是PID 参数应设置不同,只要参数设置

3、得当均可以达到很好的成效；均可以达到 0.1%,甚至更高的掌握要 求；PID 掌握的不足1. 在实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定,难以建立精确的数学模 型,常规的 PID 掌握器不能达到抱负的掌握成效；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 掌握器参 数往往整定不良、成效欠佳,对运行工况的适应才能很差；二、 PID 掌握器各校正环节 任何闭环掌握系统的首要任务是要稳（稳固） 、快（快速）、准（精确）的响1 / 27 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 稳固在一个抱负的

4、数值, 不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响,但有余差显现,过大的比例系数会使系统有比较大的超调, 并产生振荡, 使稳固性变坏；积分能在比例的基础上排除余差,它能对稳固后有累积误差的系统进行误差修 整,减小稳态误差；微分具有超前作用,对于具有容量滞后的掌握通道,引入微分参加掌握, 在微分项设置得当的情形下,对于提高系统的动态性能指标,有着显著成效,它可以使系统超调量减小,稳固性增加,动态误差减小；综上所述, P比例掌握系统的响应快速性,快速作用于输出,好比 现在 （现在就起作用,快）,I 积分掌握系统的精确性,排除过去的累积误差,好比 过 去 （清除过去积怨,回到精确轨道） ,D微分掌握系统

5、的稳固性,具有超 前掌握作用,好比 将来 （放眼将来,未雨绸缪,稳固才能进展）；当然这个结论也 不行一概而论,只是想让初学者更加快速的懂得PID 的作用；在调整的时候, 你所要做的任务就是在系统结构答应的情形下,在这三个参 数之间权衡调整,达到正确掌握成效,实现稳快准的掌握特点；比例掌握可快速、准时、按比例调剂偏差,提高掌握灵敏度,但有静差,控 制精度低； 积分掌握能排除偏差, 提高掌握精度、 改善稳态性能, 但易引起震荡,造成超 调；微分掌握是一种超前掌握,能调剂系统速度、减小超调量、提高稳 定性,但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小就调剂周期长、成效不 积分、微分掌握相互协作,合理

6、挑选 PID 调剂器的参数,即比例 显著；比例、系数 KP、积分时间常数 i 和微分时间常数 D,可快速、精确、平稳的排除偏 差,达到良好的 掌握成效；1. 比例环节成比例地反映掌握系统的偏差信号et ,偏差一旦产生,掌握器立刻产生掌握作用,以减小偏差；当仅有比例掌握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,排除误差的才能越强；但实际系统是有惯性的,掌握输出变化后,实际yt 值变化仍需等待一段时间才会缓慢2 / 27 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 统振荡不稳固； P 参数的大小应在以上定

7、量运算的基础上依据系统响应情形,现 场调试打算, 通常将 P 参数由大向小调, 以能达到最快响应又无超调 或无大的 超调 为正确参数；优点 : 调整系统的开环比例系数,提高系统的稳态精度,减低系统的惰性,加快 响应速度；而且会使 缺点 : 仅用 P 掌握器 , 过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大,系统稳固裕度变小,甚至不稳固；2. 积分环节掌握器的输出与输入误差信号的积分成正比关系；系统的无差度；积分作用的强弱取决于积分时间常数 反之就越强；为什么要引进积分作用？主要用于排除静差, 提高 T,T 越大,积分作用越弱,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

8、越小,误差为零,输出为零；由于没有误差时输出为零,因此比例调剂不行能完全排除误差,不行能使被控的PV值达到给定值；必需存在一个稳固的误差,以维护一个稳固的输出,才能使系统的 PV值保持稳固；这就是通常所说的比例作用是有差调剂,是有静差的,加强比例作用只能削减静差,不能排除静差 静差：即静态误差,也称稳态误差 ；为了排除静差必需引入积分作用, 积分作用可以排除静差, 以使被控的 yt值最终与给定值一样；引进积分作用的目的也就是为了排除静差,使 yt 值达到给定值,并保持一样；积分作用排除静差的原理是, 只要有误差存在, 就对误差进行积分, 使输出连续增大或减小,始终到误差为零,积分停止,输出不再

9、变化,系统的 PV值保持稳固, yt 值等于 ut 值,达到无差调剂的成效；但由于实际系统是有惯性的, 输出变化后, yt 值不会立刻变化, 须等待一段时间才缓慢变化, 因此积分的快慢必需与实际系统的惯性相匹配,惯性大、 积分作 用就应当弱,积分时间I 就应当大些,反之而然；假如积分作用太强,积3 / 27 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,观看系统响应以能达到快速排除误 差,达到给定值,又不引起振荡为准；对一个自动掌握系统, 假如在进入稳态后存在稳态误差,就称这个掌握系统）；为了消 是有稳态误差的或简称有

10、差系统（System with Steady-state Error 除稳态误差, 在掌握器中必需引入 “ 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,它推动掌握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 掌握器,可以使系统在进入稳态后无稳 态误差； PI 掌握器不但保持了积分掌握器排除稳态误差的“ 记忆功能”分掌握排除误差时反应不灵敏的缺点；优点：排除稳态误差；,而且克服了单独使用积缺点：积分掌握器的加入会影响系统的稳固性,使系统的稳固裕度减小；3. 微分环节 反映偏差信号的变化趋势

11、, 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, 从而加快系统的动作速度, 削减调剂时间； 在微分掌握 中,掌握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, 不论比例调剂作用, 仍是积分调剂作用都是建立在产生误 差后才进行调剂以排除误差, 都是事后调剂,因此这种调剂对稳态来说是无差的,必需 对动态来说确定是有差的, 由于对于负载变化或给定值变化所产生的扰动,等待产生误差以后,然后再来渐渐调剂予以排除；但一般的掌握系统, 不仅对稳固掌握有要求, 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,复原到稳

12、态的速度要快, 因此光有比例和积 分调剂作用仍不能完全满意要求,必需引入微分作用；比例作用和积分作用是事后调剂 即发生误差后才进行调剂 ,而微分作用就是事前预防掌握,即一发觉 yt 有变大或变小的趋势,立刻就输出一个阻挡其变化的掌握信号,以防止显现过冲或超调等；4 / 27 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,具体参数由试验打算；如：由于给定值调整或负载扰动引起yt 变化,比例作用和微分作用肯定等到 yt 值变化后才进行调剂,并且误差小时,产生的比例和积分调剂作用也小, 订正误差的才能也小,误差大时,产生的比例和积分作用才增大；由于是事后调剂动态指标

13、不会很抱负； 而微分作用可以在产生误差之前一发觉有产生误差的趋势就 开头调剂,是提前掌握,所以准时性更好,可以最大限度地削减动态误差,使整体成效更好； 但微分作用只能作为比例和积分掌握的一种补充,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固,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；自动掌握系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳；其缘由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当

14、是零；这就是说, 在掌握器中仅引入“ 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“ 微分项” ,它能猜测误差变化的趋势；这样,具有比例 +微分的掌握器,就能 够提前使抑制误差的掌握作用等于零,甚至为负值,从而防止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掌握器能改善系统在 调剂过程中的动态特性； PD掌握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,微分掌握在任何情形下都不能单独使用；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“ 猜测” 作 用；在低频段,主要是 PI 掌握规律起作用,提高系统型别,排除

15、或削减稳态误差；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,提高响应速 度；因此,掌握器可以全面地提高系统的掌握性能；三、 PID 掌握器的参数整定 PID 掌握器的参数整定是掌握系统设计的核心内容；它是依据被控过程的特 性确定 PID 掌握器的比例系数、积分时间和微分时间的大小；PID 掌握器参数整5 / 27 定的方法很多,概括起来有两大类：1. 理论运算整定法 它主要是依据系统的数学模型, 经过理论运算确定掌握器参数； 这种方法所 得到的运算数据未必可以直接用,仍必需通过工程实际进行调整和修改；2. 工程整定方法 它主要依靠工程体会, 直接在掌握系统的试验中进行,且方法简洁

16、、 易于掌握,在工程实际中被广泛采纳；PID 掌握器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、 反应曲线法和衰减法；三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后依据工程体会公式对掌握器参数进行整定；但无论采纳哪一种方法所得到的掌握器参数,都需要在实际运行中进行最终调整与完善；现在一般采纳的是临界比例法；利用该方法进行 PID 掌握器参数的整定步骤如下：1 第一预挑选一个足够短的采样周期让系统工作；2 仅加入比例掌握环节,直到系统对输入的阶跃响应显现临界振荡,登记这时 的比例放大系数和临界振荡周期；3 在肯定的掌握度下通过公式运算得到PID 调试一般原就PID 掌握器的参数；a. 在输出不振荡时,

17、增大比例增益 P；b. 在输出不振荡时,减小积分时间常数 Ti ；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 P 时,第一去掉 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 为纯比例调剂；输入设定为系统答应的最大值的 60%70%,由0逐步加大比例增益P,直至系统显现振荡；再反过来,从今时的比例增益 P 逐步减小,直至系统振荡消逝,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 6 / 27 比

18、例增益 P 确定后,设定一个较大的积分时间常数 小 Ti ,直至系统显现振荡,之后在反过来,逐步加大Ti 的初值,然后逐步减 Ti ,直至系统振荡消逝；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；如要设定,与确定 P 和 Ti 的方法相同,取不振荡时的 30%；d. 系统空载、带载联调,再对PID 参数进行微调,直至满意要求；变速积分的基本思想是, 设法转变积分项的累加速度, 使其与偏差大小相对 应：偏差越大,积分越慢；反之就越快,有利于提高系统品

19、质；7 / 27 PWM波的产生 PWM掌握方式广泛应用于各种掌握系统中,但对脉冲宽度的调剂一般采纳硬件来实现；如使用PWM掌握器或在系统中增加PWM电路 1 等,就成本高、响应速度慢,而且 PWM掌握器与系统之间存在兼容问题；另外,掌握系统中的信号采样通常是由 A/D 转换器来完成, 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,从而使设计的系统成本居高不下；本文以应用于温度掌握系统为例,介绍利用 Motorola 公司生产的新型单片 机 MSP430F413内的定时器 Time_A设计可以用时间量进行温度采样以及实现 PWM 调剂的方法；为了可在使用少量外围电路的情

20、形下实现掌握系统的高精度测量和掌握,一方面用时间量采样,在省去 方面在定时中断内完全用软件实现1片 A/D 的情形下得到 12位的高精度；另一 PWM调剂,以易于进行数据的通信和显示； 该系统在中断内可以解决波形产生的实时在线运算和运算精度问题,可精确、实时地运算设定频率下的脉冲宽度；1 单片机 MSP430F413及定时器 MSP430系列的单片机F413在超低功耗和功能集成上都有肯定的特色, 可大大减小外围电路的复杂性, 它的实时处理才能及各种外围模块使其可应用在多个低功耗领域 Timer_A 有如下主要功能模块；2 ； MSP430F413中通用 16位定时器1 一个可连续递增计数至预定

21、值并返回 0的计数器；2 软件可挑选时钟源；35 个捕获 / 比较寄存器,每个有独立的捕获大事；45 个输出模块,支持脉宽调制的需要；定时器掌握寄存器 TACTL的各位可掌握 Timer_A 的配置,并定义 16位定时器的基本操作,可挑选原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式；另外仍有清除功能和溢出中断掌握位；5个捕获 / 比较寄存器 CCRx的操作相同,它们通过各自的掌握寄存器 CCTLx进行配置；2 时间量采样及 PWM掌握的实现原理以应用于温度掌握系统为例,介绍用定时8 / 27 器实现信号采样和 PWM掌握的方法；该温度掌握系统包括单片机、 温度测量电路、负载驱动电路及电源掌握、低

22、电压检测和显示电路等其他外围部分；单片机 MSP430F413中用于测量和掌握温度的主要I/O口有： P1.0 ：输出 50Hz方波,用于产生三角波；P1.2：驱动温度掌握执行元件,P2.0：脉宽捕获；2kHz方波 PWM输出；2.1 单片机端口的中断设置 温度掌握系统的 50Hz方波输出、 PWM输出和输入捕 捉都是由定时中断来实现； 这3个中断分别由 P0、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 口进行中断设置, 并对 Time_A掌握 寄存器 TACTL设置,包括输入信号 2分频、选用帮助时钟 ACLK等；当定义完捕获/ 比较寄存器后,重新

23、赋值TACTL,启动定时器,开头连续递增计数；2.2 脉宽捕获实现温度值的采样 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 CCTLx中的模式位,可将对应的捕获 / 比较寄存器 CCRx设定为捕获模式,用于时间大事的精确定位； 假如在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿,就定时器计数的值将被复制到 CCRx中；依据这一原理,选定 P2.0为输入引脚,设置 CCTL2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捕获脉冲下降

24、沿,进入中断 T2,得到与温度值一样的单位时间内的脉冲数,存入 CCR2作进一步处理；9 / 27 这样,系统就在不使用 A/D 转换器的情形下完成了模数转换；由于单片机的时钟精确度高, 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行温度采样可获得 12位的高精度,同时采纳 50Hz 脉冲,可以大大排除工频干扰；这些 都为进行精确的温度掌握供应了必要的条件；2.3 PWM信号生成原理将捕获 / 比较寄存器CCR0和 CCR1定义为比较模式,它们的输出单元 OUT0和 OUT1分别对应单片机引脚P1.0（TA0）和 P1.2（TA1）；进入比较模式后,假如定时器 CCRx的计数值等于比

25、较寄存器 x 中的值,就比较信号EQUx输出到输出单元 OUTx中,同时依据选定的模式对信号置位、复位或翻转；其中：设置 EQU0将 OUT0信号翻转,信号时钟与定时器时钟同步,这样就可以在P1.0引脚上得到 50Hz的方波信号；设置EQU1输出模式为 PWM复位 / 置位；设定模式下定时中断的输出如图 2所示；依据设定的 PWM复位 / 置位模式,如 CCR1计数器溢出,就 EQU1将 OUT1复位；如 CCR0计数器溢出,就 EQU0将 OUT1置位；利用 CCR0和 CCR1计数起始点的差值,实现占空比的变化, 从而在 P1.2上完成 PWM输出；系统对占空比的调剂是通过转变CCR1的基

26、数来实现的；定时器时钟为2MHz、CCR1和 CCR0的计数值为 1 000时,可获得 2kHz的 PWM输出频率；负载驱动 电路将单片机 P1.2引脚输出的 PWM信号放大滤波, 用于驱动大功率的执行元件；3 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； 系统进行温度值采样和 PWM输出均在定时中断内完成, PWM输出脉冲的占空比就由 3所示；PID 算法得到；系统主程序流程图如图10 / 27 3.2 PID 脉宽调剂系统对脉宽的调制由PID 算法实现；依据算法原理,本系统设计了一套完全由软件实现的PID 算法,并且在掌握

27、过程中完成参数的自整定；PID 调剂的掌握过程：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,依据 en 的正负和大小,调用 PID 公式,运算得到与输出电压 un 一样的占空比, 调剂温度的升降, 同时查找最优条件, 转变 PID参数；增量式 PID 掌握算法的输出量 3 ：PID 调剂程序直接写入单片机内, 依据得到的值转变计数器 CCR1的基数值,从而转变输出脉冲的占空比,达到调剂 PWM的目的；3.3 定时中断 定时中断子程序流程如图 4所示；系统采纳的晶振频率为 2MHz,T0中断的作用是得到频率为50Hz、占空比为 90%的方波, 用以

28、产生三角波, 并检查 1个周期内是否有漏采的数据； T0模溢出翻转为高电平, 输出比较间隔为 18ms；其 11 / 27 中, CCR0加了 PWM的模,该值即为 CCR0和 CCR1的差值,用以产生输出所需的脉 冲宽度；T1中断内处理的是掌握端口的PWM输出,并检查 1个周期内是否重复采集数据,T1输出比较产生低电平, 输出比较间隔为 20ms；T2中断捕获温度测量端口的脉宽,得到所测的温度值；4 终止语 利用单片机 MSP430F413内的定时器 Time_A进行温度采样以及实现 PWM 调剂的方法, 可以广泛用于具有端口捕获功能的单片机中；与传统方法比较, 它不仅可以简化测量和掌握电路

29、的硬件结构,而且可以便利地建立人机接口, 实现用软件调整参数,使掌握更精确、实时、牢靠；经过试验,该方法应用于温度控制系统中获得了预期的精确 系统中；PWM技术编辑PWM调剂波形；该方法同样可以用于其他单片机掌握PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法；通过高辨论率计数器的使12 / 27 用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码；PWM信号仍然是数字的, 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

30、时候；只要带宽足够,任何模拟值都可以使用简介PWM进行编码；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行掌握的一种特别有效的技术,制与变换的很多领域中；优点广泛应用在从测量、 通信到功率控PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,在进行数模转 换；可将噪声影响降到最低 （可以话跟电脑一样 ；噪声只有在强到足以将规律 1 转变为规律 0或将规律 0转变为规律 1时,也才能对数字信号产生影响；对噪声抗击才能的增强是PWM相对于模拟掌握的另外一个优点,而且这也是在某些时候将 PWM用于通信的主要缘由； 从模拟信号转向 PWM

31、可以极大地延长通 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仍原为模拟形式；PWM掌握技术始终是变频技术的核心技术之一；1964年 A.Schonung 和H.stemmler 第一提出把这项通讯技术应用到沟通传动中,从今为沟通传动的推广应用开创了新的局面；从最初采纳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SPWM信号以掌握功率器件的开关开头,到目前采纳全数字化方案,完成优化的实时在线的 PWM信号输出,可以说直到目前为止,位置,并始终是人们争论的热点；13 / 27 PWM在各种应用场合仍在主导由于 PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点

32、；由此在沟通传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用； PWM掌握技术大致可以分为三类, 正弦 PWM（包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案,多重 PWM也应归于此类）,优化 PWM及随机 PWM；正弦 PWM已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其特殊的优势（如ABB ACS1000系列和美国 ROBICON公司的完善无谐波系列等） ；而优化 PWM所追求的就是实现电流谐波畸变率（THD）最小,电压利用率最高,效率最优,及转矩脉动最小以及其它特定优化目标；在70岁月开头至 80岁月初, 由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿

33、三极管,载波频率一般最高不超过 5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注； 为求得改善, 随机 PWM方法应运而生； 其原理是随机转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点的有色噪音强度大大减弱；正由于如此,即使在 制在较低频率的场合,随机IGBT已被广泛应用的今日,对于载波频率必需限 PWM仍旧有其特别的价值（ DTC掌握即为一例）；别一方面就告知人们排除机械和电磁噪音的正确方法不是盲目地提高工作频率,因为随机 PWM技术供应了一个分析、解决问题的全新思路；- 几种 PWM掌握方

34、法采样掌握理论中有一个重要结论：冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其成效基本相同 .PWM掌握技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行掌握,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 . 按肯定的规章对各脉冲的宽度进行调制,既可转变逆变电路输出电压的大小,也可转变输出频率 . PWM掌握的基本原理很早就已经提出, 但是受电力电子器件进展水平的制约,在上世纪 80岁月以前始终未能实现 . 直到进入上世纪 80岁月,随着全控型电力电14 / 27 子器件的显现和快速进展,PWM掌握技术才真正得到应用 . 随着电力电子技

35、术,微电子技术和自动掌握技术的进展以及各种新的理论方法,如现代掌握理论 , 非线性系统掌握思想的应用,PWM掌握技术获得了空前的进展 . 到目前为止,已出现了多种 PWM掌握技术,依据 PWM掌握技术的特点,到目前为止主要有以下 8类方法 . 1 相电压掌握 PWM 等脉宽 PWM法VVVFVariable Voltage Variable Frequency）装置在早期是采纳 PAMPulse Amplitude Modulation ）掌握技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压 . 等脉宽 PWM法正是为了克服 PAM法的这个缺点进展而来的,是 PWM法中最为简洁的

36、一种 . 它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为 PWM波,通过转变脉冲列的周期可以调频,转变脉冲的宽度或占空比可以调压,采纳适当掌握方法即可使电压与频率和谐变化. 相对于 PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数, 但同时也存在输出电压中除基波外,仍包含较大的谐波重量 . 随机 PWM 在上世纪 70岁月开头至上世纪 80岁月初, 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及谐波造成的振动引起了人们的关注 . 为求得改善,随机 PWM方法应运而生 . 其原理是随机转变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐

37、标系中, 各频率能量分布是匀称的）,尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特点的有色噪音强度大大减弱 . 正由于如此, 即使在 IGBT已被广泛应用的今日, 对于载波频率必需限制在较低频率的场合, 随机 PWM仍旧有其特别的价值； 另一方面就说明白排除机械和电磁噪音的正确方法不是盲目地提高工作频率,随机 PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路 . SPWM法15 / 27 SPWMSinusoidal PWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的 PWM法. 前面提到的采样掌握理论中的一个重要结论：冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其成效基本相同 .SPWM法

38、就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即 SPWM波形掌握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期望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过转变调制波的频率和幅值就可调剂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 SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的 矩形脉冲序列代替正弦波, 然后运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 PWM信号掌握开关器件的通断,以达到预期的目的 . 由于此方法是以 SPWM掌握的基本原理为动身点,可以精确地运算出各开关器件的通

39、断时刻, 其所得的的波形很接近正弦波,大,不能实时掌握的缺点 . 硬件调制法但其存在运算繁琐, 数据占用内存硬件调制法是为解决等面积法运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, 把接受调制的信号作为载波, 通过对载波的调制得到所期望的 PWM波形 . 通常采纳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 SPWM波形 . 其实现方法简洁, 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行掌握,就可以生成 SPWM波. 但是,这种模拟电路结构复杂, 难以实现精确的控 制. 软件生成法由于微机技术的进展使得

40、用软件生成SPWM波形变得比较简洁,因此,软件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,其有两种 基本算法,即自然采样法和规章采样法 . 16 / 27 自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻掌握开关器件的通断, 这就是自然采样法 . 其优点是所得 SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,运算繁琐,难以实时掌握 . 规章采样法规章采样法是一种应用较广的工程有用方法,一般采纳三角波作为载波 . 其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角

41、波的交点时刻掌握开关器件的通断, 从而实现 SPWM法. 当三角波只在其顶点 （或底点） 位置 对正弦波进行采样时, 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）内的位置是对称的,这种方法称为对称规章采样 . 当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,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）内的位置一般并不对称,这种方 法称为非对称规章采样 . 规章采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是运算简洁,便于在线实时运算,其中非对称规章采样法因阶数多而更接近正弦用率较低,线性掌握范畴较小 . 以上两种方法均只适用于同步调制方式中 .

42、低次谐波消去法. 其缺点是直流电压利低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法. 其原理是对输出电压波形按傅氏级数绽开,表示为u（ t=ansinn t ,第一确定基波重量 a1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 及 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排除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次17 / 27 谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在运算复杂的缺点 同步调制方式中 . 梯形波与三角波比较法. 该方法同样只适用于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,从而忽视了直流电压的利用

43、率,如 SPWM法,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 掌握开关器件的通断实现 PWM掌握 . 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率其所含的基波重量幅值已超过了三 . 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 . 线电压掌握 PWM 前面所介绍的各种PWM掌握方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行掌握的, 使其输出接近正弦波, 但是,对于像三相异

44、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,提出了线电压掌握马鞍形波与三角波比较法PWM,主要有以下两种方法 . 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入 PWM方式（ HIPWM）,其原理是在正弦波中加入肯定比例的三次谐波, 调制信号便出现出马鞍形, 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形下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率 . 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,仍可以注入其他 形,这些信号都不会影响线18 /

45、27 3倍频于正弦波信号的其他波电压. 这是由于, 经过 PWM调制后逆变电路输出的相电压也必定包含相应的 3倍频于正弦波信号的谐波, 但在合成线电压时, 各相电压中的这些谐波将相互抵消,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=0 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 60 区间用 Uuv本身表示,中间60 区间用 -Uvw+Uwu）表示,当将 Uvw和 Uwu作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60 区间的两种波形外形,

46、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（实践说明,这样做引起的误差不大,完全可行）,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 60 区间的脉冲列一经确定, 线电压的调制脉冲波形就唯独地确定了 . 这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知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,仍可减小开关损耗和加宽线性掌握区,同时仍能带来用微机掌握的便利电流掌握 PWM , 但该方法只适用于异步电动机, 应用

47、范畴较小 . 电流掌握 PWM的基本思想是把期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馈信号, 通过两者瞬时值的比较来打算各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的转变而转变P4SEL=0X0E; P4DIR=0 xFF; P4OUT=0 xFF; TBCCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1 reset/set TBCCTL2 = OUTMOD_7; / CCR2 reset/set TBCCTL3 = OUTMOD_7; / CCR3 19 / 27 reset/set TBCCR0=5000; TBCCR1=pwm1d1; TBCCR2=pwm2d1; TBCCR3=p

48、wm3d1; TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR + MC_1;/MCLK,UP 转变 TBCCR1,TBCCR2,TBCCR3转变占空比； TA的你自已改吧；单片机要选TA可以输出 7 路 PWM的；20 / 27 PWM波形生成原理脉宽调制 Pulse-Width Modulation,PWM技术在电力电子领域的应用极其广泛；PWM模式是打算逆变器输出电压特性的根本；性能优越的 PWM模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、偶次谐波以及余弦项；因此PWM脉冲波形的对称性对输出特性有很大影响； PWM 的实现方法一般有两种：比较法

49、和运算法；随着数字技术的快速进展和运算机功能的提高, 运算法以其便利敏捷的特点成为PWM实现方法的主流； 采纳运算法实现 PWM时,依据每个载波周期内调制波的取法,可以分为规章采样 PWM和自然采样 PWM；其中,采纳规章采样法,运算简洁,占用系统软件资源较少,因而应用比较广泛； 但是由规章采样法运算出的PWM波形,在系统载波频率较低时,输出精度差, 并且在运算时需要通过查表确定运算结果,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全部范畴内,载波与调制波的相位相同

50、, PWM波形始终保持对称,输出谐波的低次谐波可以得到排除；但是在载波 频率变化范畴大时, 电力电子器件的开关频率变化范畴大,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基本固定,可以补偿同步调制的缺点； 但是异步调制无法在大部分频率点上都保证调制波与载波相位相对的固定,显现不对称波形,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显现电压突变,甚至震荡；基于以上理论,本文提出一种新的PWM算法,可以在异步调制下,使PWM波形在 T2周期内始终保持关于 T4 周期的完全对称；1 PWM算法原理在用数字化掌握技术产生PWM脉冲时,三角载波实际上是不存在的, 完全由软件及硬件定时器代替, 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； PWM脉冲的产生气理为：定时重视复依据 PWM周期进行计数；比较寄存器用于保持调制值, 比较寄存器中的值与定时器计数器的值相比较,当两个值匹配时, PWM输出就会跳变；当两个值产生二次匹配或者一个定21 / 27 时器的周期终止时, 就会产生其次次输出跳变； 通过这种方式就会产生一个周期与比较寄存器值成比例的脉冲信号；程,产生 P