PID功能详解及PWM波的产生和PWM波形生成原理

PID功能详解一、PID控制简介PID（ Proportional Integral Derivative）控制是最早发展起来的控制策略 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控制，尤 其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称PID控制，又称PID调节，它实际上是一种算法。PID控制器问世至今已有 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，或得不到精确的数 学模型 时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控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控制技术最为方便。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控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据 系统的误 差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。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、微分三种运算及其组合。PID调节器的适用范围：PID调节控制是一个传统控制方法，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达到很好的效果。均可以达到0.1%，甚至更高的控制要 求。PID控制的不足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控制器不能达到理想的控制效果；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控制器参 数往往整定不良、效果欠佳，对运行工况的适应能力很差。二、PID控制器各校正环节任何闭环控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 稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差 出现，过大的比例系数会使 系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定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控制通道，引入微 分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高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比例控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积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，好比 过去(清除过去积怨，回到准确轨道)，D微分控制系统的稳定性，具有超 前控制作用，好比未来(放眼未来，未雨绸缪，稳定才能发展)。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，达到最佳控制效果，实现稳快准的控制特点。比例控制可快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度，但有静差，控 制精度低。积分控制能消除偏差，提高控制精度、改善稳态性能，但易引起震荡， 造成超 调。微分控制是一种超前控制，能调节系统速度、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，过小则调节周期长、效果不 显著。比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID调节器的参数，即比例 系数KP、积分时间常数Ti和微分时间常数tD,可迅速、准确、平稳的消除偏 差，达到良好的 控制效果。1.比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减小偏差。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(St eady-s tate error)。P参数越小比例作用越强，动态响应越快，消除误差的能力越强。但实际系 统是有惯性的，控制输出变化后，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基础上根据系统响应情况，现 场调试决定，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)为最佳参数。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。缺点:仅用P控制器，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. 积分环节控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，提高 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， 反之则越强。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，因此比例调节不可能 完全消除误差，不可能使被控的 PV 值达到给定值。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，加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，就对误差进行积分，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)值，达到无差调节的效果。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，观察系统响应以能达到快速消除误 差，达到给定值，又不引起振荡为准。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统 是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消 除稳态误差，在控制器中必须引入“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，它推动控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)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PI控制 器不但保持了积分控制器消除稳态误差的“记忆功能”，而且克服了单独使用积 分控制消除误差时反应不灵敏的缺点。优点：消除稳态误差。 缺点：积分控制器的加入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，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。在微分控制 中，控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，不论比例调节作用，还是积分调节作用都是建立在产生误 差后才进行调节以消除误差，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，因为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。但一般的控制系统，不仅对稳定控制有要求，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 分作用是事后调节(即发生误差后才进行调节)，而微分作用则是事前预防控制， 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控制信号， 以防止出现过冲或超调等。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)值变化后才进行调节，并且误差小时，产生的比例和积分调节作用也 小， 纠正误差的能力也小，误差大时，产生的比例和积分作用才增大。因为是 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，是提前控制，所以及时性更好，可以最大限度地减少动 态误差，使整体效果更好。但微分作用只能作为比例和积分控制的一种补充，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。自动控制系统在克服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。解决的办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，在控制器中仅引入 “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“微分项”，它能预测误差变化的趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就 能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严 重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系 统在 调节过程中的动态特性。PD控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，微分控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控制规律起作用，提高系统型别，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，提高响应速 度。因此，控制器可以全面地提高系统的控制性能。三、PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特 性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控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，经过理论计算确定控制器参数。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行调整和修改。2. 工程整定方法它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌 握，在工程实际中被广泛采用PID控制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， 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的 控制器参数， 都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临 界比例法。利用该方法进行PID控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) 仅加入比例控制环节，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) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。PID调试一般原则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，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。若要设定，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，直至满足要求。变速积分的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对 应：偏差越大，积分越慢；反之则越快，有利于提高系统品质。PWM波的产生PWM控制方式广泛应用于各种控制系统中，但对脉冲宽度的调节一般采用硬 件来实现。如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路1等，贝V成本高、响应 速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。另外，控制系统中的信号采 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。本文以应用于温度控制系统为例，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 调节的方法。为了可在使用少量外围电路的情况下实现控制系统的高精度测量和 控制，一方面用时间量米样，在省去1片A/D的情况下得到12位的高精度；另一 方面在定时中断内完全用软件实现PWM调节，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计算和计算精度问题，可精确、实时 地计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 成上都有一定的特色，可大大减小外围电路的复杂性，它的实时处理能力及各种 外围模块使其可应用在多个低功耗领域 2。MSP430F413中通用16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/比较寄存器，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。定时器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定义16位定时器的基 本操作，可选择原始频率或分频后的输入时钟源及4种工作模式。另外还有清除 功能和溢出中断控制位。5个捕获/比较寄存器CCRx的操作相同，它们通过各自 的控制寄存器CCTLx进行配置。2时间量采样及PWM控制的实现原理 以应用于温度控制系统为例，介绍用定时 器实现信号采样和PWM控制的方法。该温度控制系统包括单片机、温度测量电路、 负载驱动电路及电源控制、低电压检测和显示电路等其他外围部分。单片机MSP430F413中用于测量和控制温度的主要I/O 口有：P1.0：输出50Hz 方波，用于产生三角波。P1.2:驱动温度控制执行元件，2kHz方波PWM输出。P2.0 :脉宽捕捉。2.1单片机端口的中断设置温度控制系统的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控制 寄存器TACTL设置，包括输入信号2分频、选用辅助时钟ACLK等。当定义完捕获 /比较寄存器后，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O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, 用于时间事件的精确定位。如果在选定的输入引脚上发生选定脉冲的触发沿，则 定时器计数的值将被复制到CCRx中。根据这一原理，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捕捉 脉冲下降沿，进入中断T2,得到与温度值一致的单位时间内的脉冲数，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。因为单片机的时钟 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，同时采用50Hz脉冲，可以大大消除工频干扰。这些 都为进行精确的温度控制提供了必要的条件。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，如果定时器CCRx的计数值等于比较寄存器x中的值，则比较信号 EQUx输出到输出单元OUTx中，同时根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。根据设定的PWM复位/置位模式，若CCR1 计数器溢出，则EQU1将OUT1复位；若CCR0计数器溢出，则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。系统对占空比的调节是通过改变CCR1的基数来实现的。定时器时钟为 2MHz、CCR 1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。関2设宦锲式卜定对中脈掃笹岀诫删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输出脉冲的占空比则由PID算法得到。系统主程序流程图如图 3所示。3.2 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，并且在控制过程中完成参数的自整定。 PID调节的控制过程：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二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Aun 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控制算法的输出量3:-备卄TVTd陷十（丁川叭-2%旳“！ |式中1血7耳2菱别为第力次jz-1次和n-2次的偏董值耳n 分剖皆出怫祭数、积分察数、微分系数丁曲址样周期。诫畋曲堆库PID调节程序直接写入单片机内，根据得到的值改变计数器CCR1的基数值，从而 改变输出脉冲的占空比，达到调节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%的方波，用以产生三角波，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。其中，CCRO加了 PWM的模，该值即为CCRO和CCR1的差值，用以产生输出所需的脉 冲宽度。模齒出.口动曲.轧为為电评術 Jin b.厂.宦时中断于珂呼汗H门羊T1中断内处理的是控制端口的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20msT2中断捕捉温度测量端口的脉宽， 得到所测的温度值。4结束语 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控制电路的硬件结构，而且可以方便地建立人机接口，实现 用软件调整参数，使控制更精确、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精确PWM调节波形。该方法同样可以用于其他单片机控制 系统中。PWM技术编辑PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使 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，因为在给定的任何时刻，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PWM进行编码。简介脉宽调制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来 对模拟电路进行控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。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是 在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM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还 原为模拟形式。PWM控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 SPWM信号以控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信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导 地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其 它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制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独特的优势（如 ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求 的则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。正因为如此，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PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别 一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因 为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。几种 PWM 控制方法采样控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，其效果基本相同.PWM控制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控制，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则对各脉 冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率.PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约, 在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电 子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用随着电力电子技术， 微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非 线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展到目前为止，已出 现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类 方法.1相电压控制PWM等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，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法的这个缺点发展而来的， 是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波， 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 控制方法即可使电压与频率协调变化.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，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.其原理是随机改变 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.正因为如此，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PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了 消除机械和电磁噪音的最佳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SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法前 面提到的采样控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，其效果基本相同.SPWM法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波形控制逆变电路中开 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内 的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则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PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的. 由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件 的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存 大，不能实时控制的缺点.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SPWM波形.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 行控制，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发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，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，即自然采样法和规则采样法.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 刻控制开关器件的通断，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，计算繁琐，难以实时控制.规则采样法规则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行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时 刻控制开关器件的通断，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则采样当三角波既在 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 法称为非对称规则采样.规则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，其中非对称规则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，线性控制范围较小.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展开，表示为u（3t ）=ansinn t，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 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消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次 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，从而忽视 了直流电压的利用率，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一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 控制开关器件的通断实现PWM控制.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，从而可以有效地提高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.线电压控制PWM前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电 压分别进行控制的，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，提出了线电压控制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方式(HIPWM)，其原理是在正 弦波中加入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，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电压这是因为，经过PWM调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.单元脉宽调制法因为，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(实践表明，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，还可减小开关损耗和加宽线性控制区， 同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小.电流控制PWM电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的 电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实 际输出随指令信号的改变而改变P4SEL=0X0E; P4DIR=0xFF; P40UT=0xFF; TBCCTL1 = OUTMOD_7; /CCR1 reset/setTBCCTL2 = OUTMOD_7; / CCR2 reset/set TBCCTL3 = OUTMOD_7; / CCR3 reset/set TBCCR0=5000; TBCCR1二pwmldl; TBCCR2二pwm2dl; TBCCR3二pwm3dl; TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR + MC_1;/MCLK,UP 改变 TBCCR1,TBCCR2,TBCCR3 便 改变占空比。TA的你自已改吧。单片机要选TA可以输出7路PWM的。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模式是决定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：比较法和计算法。随着数字技术的迅速发展和 计算机功能的提高，计算法以其方便灵活的特点成为PWM实现方法的主流。采用 计算法实现PWM时，按照每个载波周期内调制波的取法，可以分为规则采样PWM 和自然采样PWM。其中，采用规则采样法，计算简单，占用系统软件资源较少， 因而应用比较广泛；但是由规则采样法计算出的PWM波形，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，谐波含量也会因为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范围内，载波与调制波的相位相 同，PWM波形一直保持对称，输出谐波的低次谐波可以得到消除。但是在载波 频率变化范围大时，电力电子器件的开关频率变化范围大，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基本固定，可以弥补同步调制的缺点。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，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PWM算法，可以在异步调制下，使PWM波形在T/2周期内始 终保持关于T/4周期的完全对称。1 PWM算法原理在用数字化控制技术产生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脉冲的产生机理为：定时器重复按照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 时器的周期结束时，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 与比较寄存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PWM信号，如图2所示。国 E 盘宇技羟罰严生 PW hl 1T 号机程基于数字化控制技术产生PWM脉冲的这种特点，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PWM波形。其原理为：根据三角载波频率及 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。三角载波由软件及硬件定时器形成，三角载波的频率由时钟频率及定时器 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nl,对所需的输出频率f (对应的周期 为T)进行处理，如式(1)所示，x为f处理后的值。图3所示为均分载波的原理 图，将定时器的周期进行等分为n1/(4x)份，则每份的宽度叫可由式(2)确定： f1/1=fx (1)s=4Tlx/nl (2)式中：s为脉宽增量的最小单元。在确定了脉宽增量的最小单元值之后，以3为 增量单元，随时间递增，依次增大或减小占空比的值。占空比的增大过程为：第 一个装载占空比为3,第二个装载占空比为2 3,第三个装载占空比为3 3,第 y个装载占空比的值为ys,占空比的值以此规律依次增加。式(3)为脉宽递增时 占空比值DC更新规律的数学表达式。式中K的值是为满足冲量定理所需的系数， 将在后面做详细的计算和论述。= frill当输出脉冲达到最大宽度MAX(DC)时，a计数值也达到最大值MAX(a)，已完 成T/4周期的脉冲输出。此时，占空比从最大宽度依次减小，减小的规律为y 3，(y-1) 3，直至30式(4)为脉宽递减时占空比值DC更新规律的数学表达式。其中，DC的初始值为MAX(DC), a的初始值为MAX (a)。由以上原理可以看出，PWM波形在T/2内关于T/4完全对称，图4所示为占 空比更新的原理图。由上述分析，载波频率在整个过程中是固定值，所以具备了异步调制的优点。 同时，脉宽是完全由形成载波的时钟数量、期望输出波的频率因素决定，而不是 由查表得到，可以克服异步调制时大多数情况下载波与调制波相位不同步的缺 点。此种算法综合了同步和异步调制的优点，避免了采用分段同步调制时需要考 虑调频的问题。PWM的基本依据是面积相等原理，即冲量(面积)相等不同形状的 窄脉冲加到惯性环节上在保证波形对称的基础上，讨论该算法对冲量相等原则的 实现。以正弦调制为例，当调制波为正弦波时，根据面积相等原则，其正弦半波 积分的面积等于脉冲相加之和，如式(5)所示。曲伽二KSJo，其作用效果基本相同。根据占空比更新原理可以确定冲量面积，如式(6)所示。当圈制深度MP时，可得到系数K的僮 如丈所齐值。根据以上公式，可准确计算输出波形面积，K值的选取可决定输出电压的幅田4更析占空比購理囲2实验结果为了验证提出的PWM算法的正确性和可行性，利用TI公司的TMS320F2812 进行实验；系统采用30 MHz外部晶振，通用定时器时钟的频率由系统5倍频后， 再6分频得到，为25 MHz。该实验采用的载波频率为fz=1 kHz，定时器周期值T1=12 500。输出频率fl=50Hz时，载波比nl=20。选择在定时器达到周期值时装载更 新占空比的值，相当于在三角载波的波峰时装载。实验结果见图5(UPWM为PWM脉冲幅值)：图5(a)为单极性调制时采用该算法 得到的输出波形，它是50 Hz正弦波调制时正半周期的输出波形；图5山)是43 Hz 正弦波调制时正半周期的输出波形；图5(c)是50 Hz单极性调制时，正弦波PWM 脉冲波形的能谱分析图；图5(d)是43 Hz单极性调制时正弦波PWM脉冲波形的能 谱分析图。t iT 00 mt症 53%132血：血血门就c&omddsiM嗣山河何 W Hz M FWM KCNttK fir K l*i _一fli i)200e3 (OTJQ00 5 OOO6WO7 0WB 000-500010000 (dl 4j ! FftAd nwmftijl ffiMl E PWIVKifrsr3结语该算法是基于异步调制的优化PWM脉冲波形的一种算法，它对于提高系统输 出质量有着重要的意义。应用此算法已成功地实现在1400 Hz之内调频，输出 对T/4周期完全对称的波形，有效地降低了谐波，运行效果良好。