3.4 直流电动机的PWM控制

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。简而言之，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，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一直是变频调速的核心技术之一。1964年，A. Schonung和H. Stemmler首先提出把PWM应用到交流传动中，从此为交流传动的推广开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角载波和参考正弦波的比较，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，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。PWM控制技术大致可分为三类，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、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）；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他特定优化目标。

20世纪70年代开始至80年代初，大功率晶体管主要为双极型达林顿晶体管，载波频率一般不超过5kHz，电动机绕组的电磁噪声及谐波产生的振动引起人们的关注。为求改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电动机电磁噪声近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪声的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪声强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪声的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术则提供了一个分析、解决问题的全新思路。

3.4.1 电动机导通瞬间分析

电动机的基本模型由电阻、电感及反电动势构成，因此，电动机导通瞬间会产生瞬时过电流，其波形如图3-23所示，此时电动机运行状态如图3-24所示，电动机运行的等效电路如图3-25所示。由于电感两端电流不能跃变，因而只在电感两端感应出一个瞬时电压 U ，而电阻和反电动势两端电压均为0，因此电动机端电压即为电感两端电压 U 。具体参数如下： U _bb =12V， R =20.8Ω， L =15.8mH， t =10μs， n =0r/min U _Motor =12V， I _Motor =0.067A。

3.4.2 电动机堵转分析

电动机堵转时，其等效模型如图3-26所示，此时电流、电压波形如图3-27所示。

具体参数如下： t =1.5s， n =0r/min， U _Motor =6V， I _Motor =0.425A，d I _Motor /d t =0A/s。

3.4.3 电动机正常工作分析

电动机进入正常工作状态后，电动机中的电流趋于稳定。由电动机结构模型可知，此时电动机两端的电压由两部分组成：一部分是电动机电阻两端的电压 U _R ，另一部分是电动机感应电压 U _EMF ，电感两端电压为0，因而电动机电压为 U = U _R + U _EMF 。图3-28为电动机电流及电动机正常工作时电力MOSFET的驱动波形。其中线1指电动机两端电压，线2指流经电动机的电流。图3-29为电动机正常工作时，电动机两端电压组成情况。主要参数取值如下： t =0.5s， n =任意， U _Motor =12V， I _Motor =0.05A，d I _Motor /d t =0A/s。

3.4.4 电动机续流情况分析

1.高边续流

由电动机等效结构可知，电动机为阻感设备，当驱动信号（低边）为低电平时，电动机中由于电感的作用，将会有电流经高边继续流过电动机，再经过另一高边续流二极管形成电流回路。电流回路情况如图3-30所示。

此情况下，只有高边MOSFET具有PWM驱动信号，低边没有驱动信号。图3-31是MOSFET驱动及电动机电流波形。其中线1指电动机两端电压，线2指流经电动机的电流。高边PWM驱动信号的频率为500Hz，由于电动机电感的限制，电流成断续状态。

当电动机处于续流状态时，电动机产生的端电压如图3-32所示。低边关断时，由于电感的作用，电动机两端出现瞬时负电压。

2.低边间歇分析

高边驱动结束后，驱动低边的另一电力MOSFET，可以使电动机快速制动。具体驱动方式如图3-33所示。其电动机驱动情况和电动机电流变化如图3-34所示，在电力MOSFET导通时，由于电动机感应电压和电感的作用，将在电动机中产生瞬时反向电流，但此时电动机仍有转速，而电动机两端电压为0。电动机端电压的形成如图3-35所示。

具体参数设置如下： t =2.1s， n >0r/min， U _Motor =0V， I _Motor =-0.2A, d I _Motor /d t =3A/s。

3.4.5 死区分析

如果上下桥臂同时导通，将会发生电力电子器件击穿现象。因此，经常要用到一对无重叠的PWM脉冲去驱动这两个器件。死区时间经常被插入到一个器件的关断和另一个器件的开通之间，所需的延时时间由电力电子器件的开通和关断特性及输出负载决定。典型的PWM死区波形如图3-36所示。