pwm逆變原理

PWM脈寬調製，是靠改變脈衝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衝的調製周期來實現。

基本介紹

• 中文名：pwm逆變原理
• 特點：改變輸出電壓，結構簡單
• 控制方式：對逆變電路開關的通斷進行控制
• 原理：脈寬調製
• 具體套用：控制充電電流

技術基本原理

隨著電子技術的發展，出現了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在鎳氫電池智慧型充電器中採用的脈寬PWM法。它是把每一脈衝寬度均相等的脈衝列作為PWM波形，通過改變脈衝列的周期可以調頻，改變脈衝的寬度或占空比可以調壓，採用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。

這樣，使調壓和調頻兩個作用配合一致，且於中間直流環節無關，因而加快了調節速度，改善了動態性能。由於輸出等幅脈衝只需恆定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網側的功率因數大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波

特點

1. 可以得到相當接近正弦波的輸出電壓

2. 整流電路採用二極體，可獲得接近1的功率因數

3. 電路結構簡單

4. 通過對輸出脈衝寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態回響

現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

基本原理

脈寬調製（PWM）。控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈衝，用這些脈衝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生多個脈衝，使各脈衝的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在採樣控制理論中有一個重要的結論，即衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上，其效果基本相同。衝量既指窄脈衝的面積。這裡所說的效果基本相同。是指該環節的輸出回響波形基本相同。如把各輸出波形用傅立葉變換分析，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個彼此相連的脈衝所組成的波形。這些脈衝寬度相等，都等於 ∏/n ，但幅值不等，且脈衝頂部不是水平直線，而是曲線，各脈衝的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈衝序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈衝序列代替，使矩形脈衝的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈衝和相應正弦部分面積（即衝量）相等，就得到一組脈衝序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈衝寬度是按正弦規律變化的。根據衝量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對於正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脈衝的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例係數改變各脈衝的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路採用不可控的二極體電路即可，PWM逆變電路輸出的脈衝電壓就是直流側電壓的幅值。

根據上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內的脈衝數後，PWM波形各脈衝的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形

技術具體套用

PWM軟體法控制充電電流

本方法的基本思想就是利用單片機具有的PWM連線埠，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟體的方法調整單片機的PWM控制暫存器來調整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC連線埠和PWM連線埠這兩個必須條件，另外ADC的位數儘量高，單片機的工作速度儘量快。在調整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然後把設定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調整PWM 的占空比；若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調整PWM的占空比。在軟體PWM的調整過程中要注意ADC的讀數偏差和電源工作電壓等引入的紋波干擾，合理採用算術平均法等數字濾波技術。軟體PWM法具有以下優缺點。

優點：

簡化了PWM的硬體電路，降低了硬體的成本。利用軟體PWM不用外部的硬體PWM和電壓比較器，只需要功率MOSFET、續流磁芯、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。

可控制涓流大小。在PWM控制充電的過程中,單片機可實時檢測ADC連線埠上充電電流的大小，並根據充電電流大小與設定的涓流進行比較，以決定PWM占空比的調整方向。

電池喚醒充電。單片機利用ADC連線埠與PWM的暫存器可以任意設定充電電流的大小，所以，對於電池電壓比較低的電池，在上電後，可以採取小電流充一段時間的方式進行充電喚醒，並且在小電流的情況下可以近似認為恆流，對電池的衝擊破壞也較小。

缺點：

電流控制精度低。充電電流的大小的感知是通過電流採樣電阻來實現的，採樣電阻上的壓降傳到單片機的ADC輸入連線埠，單片機讀取本連線埠的電壓就可以知道充電電流的大小。若設定採樣電阻為Rsample（單位為Ω），採樣電阻的壓降為Vsample（單位為mV）， 10位ADC的參考電壓為5.0V。則ADC的1 LSB對應的電壓值為 5000mV/1024≈5mV。一個5mV的數值轉換成電流值就是50mA，所以軟體PWM電流控制精度最大為50mA。若想增加軟體PWM的電流控制精度，可以設法降低ADC的參考電壓或採用10位以上ADC的單片機。

PWM採用軟啟動的方式。在進行大電流快速充電的過程中，充電從停止到重新啟動的過程中，由於磁芯上的反電動勢的存在，所以在重新充電時必須降低PWM的有效占空比,以克服由於軟體調整PWM的速度比較慢而帶來的無法控制充電電流的問題。

充電效率不是很高。在快速充電時，因為採用了充電軟啟動，再加上單片機的PWM調整速度比較慢，所以實際上停止充電或小電流慢速上升充電的時間是比較大的。

為了克服2和3缺點帶來的充電效率低的問題，我們可以採用充電時間比較長，而停止充電時間比較短的充電方式，例如充2s停50ms，再加上軟啟動時的電流慢速啟動折合成的停止充電時間，設定為50ms，則實際充電效率為（2000ms－100ms）/2000ms=95%，這樣也可以保證充電效率在90%以上。

純硬體PWM法控制充電電流

由於單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產生的PWM的工作頻率是很低的，再加上單片機用ADC方式讀取充電電流需要的時間，因此用軟體PWM的方式調整充電電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以採用外部高速PWM的方法來控制充電電流。現在智慧型充電器中採用的PWM控制晶片主要有TL494等,本PWM控制晶片的工作頻率可以達到300kHz以上，外加阻容元件就可以實現對電池充電過程中的恆流限壓作用，單片機只須用一個普通的I/O連線埠控制TL494使能即可。另外也可以採用電壓比較器替代TL494，如LM393和LM358等。採用純硬體PWM具有以下優缺點。

優點：

電流精度高。充電電流的控制精度只與電流採樣電阻的精度有關，與單片機沒有關係。不受軟體PWM的調整速度和ADC的精度限制。

充電效率高。不存在軟體PWM的慢啟動問題，所以在相同的恆流充電和相同的充電時間內，充到電池中的能量高。

對電池損害小。由於充電時的電流比較穩定，波動幅度很小，所以對電池的衝擊很小，另外TL494還具有限壓作用，可以很好地保護電池。

缺點：

硬體的價格比較貴。TL494的使用在帶來以上優點的同時，增加了產品的成本，可以採用LM358或LM393的方式進行克服。

涓流控制簡單，並且是脈動的。電池充電結束後，一般採用涓流充電的方式對電池維護充電，以克服電池的自放電效應帶來的容量損耗。單片機的普通I/O控制連線埠無法實現PWM連線埠的功能，即使可以用軟體模擬的方法實現簡單的PWM功能，但由於單片機工作的實時性要求，其軟體模擬的PWM頻率也比較低，所以最終採用的還是脈衝充電的方式，例如在10%的時間是充電的，在另外90%時間內不進行充電。這樣對充滿電的電池的衝擊較小。

單片機 PWM控制連線埠與硬體PWM融合

對於單純硬體PWM的涓流充電的脈動問題，可以採用具有PWM連線埠的單片機，再結合外部PWM晶片即可解決涓流的脈動性。

在充電過程中可以這樣控制充電電流：採用恆流大電流快速充電時，可以把單片機的PWM輸出全部為高電平（PWM控制晶片高電平使能）或低電平（PWM控制晶片低電平使能）；當進行涓流充電時，可以把單片機的PWM控制連線埠輸出PWM信號，然後通過測試電流採樣電阻上的壓降來調整PWM的占空比，直到符合要求為止。