pwm 调速 原理
?
PWM調(diào)速原理
???? 本文詳細(xì)闡述pwm的原理： PWM（Pulse Width Modulation）控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。
PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。
1.PWM控制的基本原理
理論基礎(chǔ)：
沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。
?
?
?
?
?
?
圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖
面積等效原理：
分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。
圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形
用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。
SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。
圖3 用PWM波代替正弦半波
要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。
PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。
PWM波形可等效的各種波形：
直流斬波電路：等效直流波形
SPWM波：等效正弦波形，還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，也基于等效面積原理。
2. PWM相關(guān)概念
占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與 該PWM的時鐘周期的時間 之比
如，一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。
分辨率也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)， 16位的的PWM理論就是1：65535(單斜率)。
頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1：65535，要達(dá)到這個分辨率，T/C就必須從0計數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計數(shù)從0計到80之后又從0開始計到80.......，那么它的分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是說PWM的輸出頻率高了。
雙斜率 / 單斜率
假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后又從0計數(shù)到80.......?? 這個就是單斜率。
假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后是從80計數(shù)到0.......?? 這個就是雙斜率。
可見，雙斜率的計數(shù)時間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80) ＝1：160，就是提高了一倍。
假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計數(shù)是80，我們再設(shè)定一個比較值是10，那么T/C從0計數(shù)到10時(這時計數(shù)器還是一直往上計數(shù)，直到計數(shù)到設(shè)定值80)，單片機就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個IO口在這個時候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。
?
?
?
?
?
?
???PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。
PWM變頻電路具有以下特點：
1.????可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓
2.????整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)
3.????電路結(jié)構(gòu)簡單
4.????通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應(yīng)
現(xiàn)在通用變頻器基本都再用PWM控制方式，所以介紹一下PWM控制的原理
?PWM基本原理
脈寬調(diào)制（PWM）?？刂品绞骄褪菍δ孀冸娐烽_關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。
在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。
?????????????????????????????????????????????????????????????????????????
根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。
例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于?∏／n?，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。
根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形.
?
?
PWM控制電路基本原理與FPGA
時間：2009-05-14 15:38:30 來源：國外電子元器件 作者：
在直流伺服控制系統(tǒng)中,通過專用集成芯片或中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計復(fù)雜,體積大,抗干擾能力差以及設(shè)計困難、設(shè)計周期長等缺點因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢.它不僅可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低,同時可使系統(tǒng)的可靠性大大提高.隨著電子技術(shù)的發(fā)展,特別是專用集成電路(ASIC)設(shè)計技術(shù)的日趨完善,數(shù)字化的電子自動化設(shè)計(EDA)工具給電子設(shè)計帶來了巨大變革,尤其是硬件描述語言的出現(xiàn),解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計系統(tǒng)工程的諸多不便.針對以上情況,本文給出一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的PWM控制電路設(shè)計和它的仿真波形.
1 PWM控制電路基本原理
為了實現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的H型單極模式同頻PWM可逆控制,一般需要產(chǎn)生四路驅(qū)動信號來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)切換控制.當(dāng)PWM控制電路工作時,其中H橋一側(cè)的兩路驅(qū)動信號的占空比相同但相位相反,同時隨控制信號改變并具有互鎖功能;而另一側(cè)上臂為低電平,下臂為高電平.另外,為防止橋路同側(cè)對管的導(dǎo)通,還應(yīng)當(dāng)配有延時電路.設(shè)計的整體模塊見圖1所示.其中,d[7:0]矢量用于為微機提供調(diào)節(jié)占空比的控制信號,cs為微機提供控制電機正反轉(zhuǎn)的控制信號,clk為本地晶振頻率,qout[3:0]矢量為四路信號輸出.其內(nèi)部原理圖如圖2所示.
該設(shè)計可得到脈沖周期固定(用軟件設(shè)置分頻器I9可改變PWM開關(guān)頻率,但一旦設(shè)置完畢,則其脈沖周期將固定)、占空比決定于控制信號、分辨力為1/256的PWM信號.I8模塊為脈寬鎖存器,可實現(xiàn)對來自微機的控制信號d[7:0]的鎖存,d[7:0]的向量值用于決定PWM信號的占空比.clk本地晶振在經(jīng)I9分頻模塊分頻后可為PWM控制電路中I12計數(shù)器模塊和I11延時模塊提供內(nèi)部時鐘.I12計數(shù)器在每個脈沖的上升沿到來時加1,當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值為00H或由0FFH溢出時,它將跳到00H時,cao輸出高電平至I7觸發(fā)器模塊的置位端,I7模塊輸出一直保持高電平.當(dāng)I8鎖存器的值與I12計數(shù)器中的計數(shù)值相同時,信號將通過I13比較器模塊比較并輸出高電平至I7模塊的復(fù)位端,以使I7模塊輸出低電平.當(dāng)計數(shù)器再次溢出時,又重復(fù)上述過程.I7為RS觸發(fā)器,經(jīng)過它可得到兩路相位相反的脈寬調(diào)制波,并可實現(xiàn)互鎖.I11為延時模塊,可防止橋路同側(cè)對管的導(dǎo)通,I10模塊為脈沖分配電路,用于輸出四路滿足設(shè)計要求的信號.CS為I10模塊的控制信號,用于控制電機的正反轉(zhuǎn).
2 電路設(shè)計
本設(shè)計采用的是Lattice半導(dǎo)體公司推出的is-plever開發(fā)平臺,該開發(fā)平臺定位于復(fù)雜設(shè)計的簡單工具.它采用簡明的設(shè)計流程并完整地集成了Leonardo Spectrum的VHDL綜合工具和ispVMTM系統(tǒng),因此,無須第三方設(shè)計工具便可完成整個設(shè)計流程.在原理設(shè)計方面,本設(shè)計采用自頂向下、層次化、模塊化的設(shè)計思想,這種設(shè)計思想的優(yōu)點是符合人們先抽象后具體,先整體后局部的思維習(xí)慣.其設(shè)計出的模塊修改方便,不影響其它模塊,且可重復(fù)使用,利用率高.本文僅就原理圖中的I12計數(shù)器模塊和I11延遲模塊進(jìn)行討論.
計數(shù)器模塊的VHDL程序設(shè)計如下:
entity counter is
port(clk: in std logic;
Q : out std logic vector(7 downto 0);
cao: out std_logic);
end counter;
architecture a_counter of counter is
signal Qs: std_logic_vector(7 downto 0);
signal reset: std_logic;
signal caolock: std_logic;
process(clk,reset)
begin
if(reset=‘1)then
Qs<=“00000000”;
elsif clkevent and clk=‘1 then
Qs<=Qs+‘1;
end if;
end process;
reset<=‘1 when Qs=255 else
‘0;
caolock<=‘1 when Qs=0 else
‘0;
Q<=Qs;
cao<=reset or caolock;
end a_counter;
在原理圖中,延遲模塊必不可少,其功能是對PWM波形的上升沿進(jìn)行延時,而不影響下降沿,從而確保橋路同側(cè)不會發(fā)生短路.其模塊的VHDL程序如下:
entity delay is
port(clk: in std_logic;
input: in std_logic_vector(1 downto 0);
output:out std_logic_vector(1 downto 0)
end delay;
architecture a_delay of delay is
signal Q1,Q2,Q3,Q4: std_logic;
begin
process(clk)
begin
if clkevent and clk=‘1 then
Q3<=Q2;
Q2<=Q1;
Q1<=input(1);
end if;
end process;
Q4<=not Q3;
output(1)<=input(1)and Q3;
output(0)<=input(0)and Q4;
end a_delay;
3 結(jié)束語
采用可編程邏輯器件和硬件描述語言,同時利用其供應(yīng)商提供的開發(fā)工具可大大縮短數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計時間,節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)成本,另外,還具有設(shè)計靈活,集成度高,可靠性好,抗干能力強等特點.本文設(shè)計的PWM控制電路用于某光測設(shè)備的傳動裝置時,取得了良好的效果.
?
總結(jié)
- 上一篇： 戳进来，带你走近飞凌嵌入式旗舰级AIoT
- 下一篇： 中国植入医疗器械行业“十四五”规划研究与