在全控型电力电子器件问世以后，出现了通过采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，并形成脉宽调制变换器的直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。

脉宽调速的研究重点是脉宽调制控制技术，脉宽调制（Pulse Width Modulation）通常称为PWM控制技术，它是通过利用半导体开关器件的导通和关断来把直流电压变成电压脉冲序列，控制电压脉冲宽度和周期以达到变压的目的；或者以控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期达到变压变频目的的一种控制技术。PWM控制技术广泛用于开关稳压源、不间断电源（UPS）以及直流电动机传动、交流电动机的传动等电气传动系统中。

1.2.5.1　PWM控制技术

随着电力电子技术的发展，不仅促进了交流传动的发展，也促进了直流传动的更新。以往普遍通过应用晶闸管相控整流—直流电动机调压调速系统，现在发展到全波不可控整流—PWM斩波—直流电机调压调速系统。

PWM斩波是直流调速发展的重点。如开关磁阻电动机是由直流斩波器供电，这种电机是由反应式步进电动机发展而来，定子为凸极式，上面绕有定子集中绕组，转子上安装一个位置检测器，由其检出的转子位置信号去控制直流斩波器，顺序的切换供给定子绕组的直流脉动电流，形成旋转磁场而使转子转动。直流斩波器不存在逆变器，同一桥臂两个半导体开关器件的同时导通造成了直流短路问题，所以可靠性比较高，成本也较低，目前主要在控制精度要求较高的数控技术上应用。主要存在的问题是消除低速时转矩脉冲和设法取消位置检测器。

电力电子技术的进步，带动了电气传动技术的快速发展，特别是脉宽调制控制技术，那么什么是脉宽调制控制技术呢？

利用半导体开关器件的导通和关断使直流电压变成电压脉冲序列，以控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期来完成变压、变频的目的，这就是PWM控制技术。

由半导体开关器件和PWM控制技术构成的直流斩波器可以完成直流—直流电压变换（DC-DC变换）如图1.33所示。

改变电压的脉冲宽度和周期，在输入电压Ud不改变的情况下，可以通过改变输出直流电压UL的大小来达到调压的目的。这种DC-DC“功率变压”广泛用于开关稳压电源、UPS及步进电动机、直流电动机调速传动系统中。

在交流变频调速传动中，用变频器来进行功率变频，在变频的同时也必须协调改变电动机的端电压，否则电机将出现过励或欠励。因此交流电气传动中的变频器实际上是变频电压（Variable Voltage Variable Frequency，VVVF），与此对应的定额定压即CVCF，通常也作为定额定压电源使用。

图1.33　直流PWM斩波器原理图

VVVF控制技术最先采用PAM（Pulse Amplitude）脉冲幅值调制。随着全控型快速半导体开关器件BJT（双极型晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、GTO（可关断晶闸管）等功率器件容量和开关速度的不断提高，高性能的单片微处理器的高速发展，外围电路元件专用集成件的不断出现，使得脉宽调制型可控直流电源越来越受到人们的重视和应用。此时整流器无需控制而简化了电路结构，且由于以全波整流替代了相控整流，提高了输入端的功率因素，减小了高次谐波对电网的影响。输出电压波形由PWM波取代了方波，因而减少了低次谐波，从而解决了电机在低频区段的转矩脉冲问题，同时也降低了电动机的谐波损耗和噪声。

PWM控制技术依据其控制思想的不同，可分为四类：

（1）等脉宽PWM法。

（2）正弦波PWM法（SPWM法）。

（3）电流跟踪型PWM法。

（4）磁链追踪型PWM法。

下面分别介绍四种方法的主要控制思路。

图1.34　等脉宽PWM法输出波形

1.等脉宽PWM法

为了克服PAM方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能进行调压的缺陷，所以采用了等脉宽PWM法，这种方法也是PWM法中最简单的一种，如图1.34所示。

等脉宽PWM法的每一脉冲宽度均相等，当采用合理的控制方法可以使电压与频率协调变化，其缺点输出电压除基波外还有较大的谐波分量。

2.SPWM法

SPWM法就是针对等脉宽PWM法的缺点而衍生出来的，从电动机供电电源方面，立足于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。

如图1.35所示，以一个正弦波作为基准波（即调制波），用一列等幅的三角波（即载波）与基准波相交的交点来确定逆变器的开关模式，当基准正弦波高于三角波则相应的开关器件导通，反之使开关器件截止。因此使得逆变器的输出电压波为图1.35（a）中所示的脉冲序列，可以看出，在半个周期中等幅不等宽的特点，中间的脉冲宽而两边的脉冲窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样就让输出电压中低次的谐波分量可以减小很多。

图1.35　SPWM法

（a）正弦波μr与三角波μc；（b）逆变器输出电压波形

3.电流跟踪型PWM法

电流跟踪型PWM法采用电压源逆变器控制输出电流。

将电动机定子电流的检测信号与正弦波给定信号用比较器来进行比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之减小，反之增大。从而使实际电流波形围绕给定的正弦波波动，若是开关器件开关频率越高则电流波动就越小。

使用这种方法，电动机的电压数学模型改变成电流模型，致使控制简单，动态响应快，同时防止逆变器过电流。因此，近年来在交流调速和伺服系统中使用电流跟踪型PWM法越来越多。

4.磁链追踪型PWM法

磁链追踪型PWM法是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用不同的逆变器开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由其追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波，且为三相对称的正弦波。

1.2.5.2　直流电动机的PWM控制原理

直流电动机的转速n的控制方法分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。直流电动机的转速n的表达式为

由式（1.64）可知，励磁控制法是通过控制磁通Φ，其控制功率较小，在低速时受到磁饱和强度的限制，而在高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，还由于励磁线圈电感较大致使其动态响应较差，所以常用的控制方法就是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。(www.daowen.com)

直流电源电压为Ud，将电枢串接一个电阻R接到电源Ud上，有如下关系

通过调节电阻R来达到改变端电压调速的目的。这种传统的调压调速方法的效率甚低，目前已发展了许多新的电枢电压控制方法。如使用晶闸管整流器进行相控调压等。

晶闸管相控调压或PWM斩波器调压优于电阻调压。而PWM斩波调压又要优于相控调压，如PWM斩波调压需要的滤波装置很小甚至只用电枢电感就足够了，而不需要外加滤波等。

PWM斩波器的原理及输出电压波形如图1.36所示。

在图1.36中，假设晶体管VT先导通T1（忽略VT的管压降，这期间电源电压Ud全加到电枢上），然后关断T2（这时候电枢端电压为零），如此反复，则电枢端电压波形如图1.36（b）所示，电动机的电枢电压Ua为其平均值

图1.36　PWM斩波器的原理图及输出电压波形

（a）原理图；（b）输出电压波形

式中：α为负载率或占空比，即在一个周期T中，晶体管VT导通时间的比率。使用下面三种方法中的任何一种均可改变α的值来进行调压。

（1）定宽调频法：T1保持一定，使T2在0~∞范围内变化。

（2）调宽调频法：T2保持一定，使T1在0~∞范围内变化。

（3）定频调宽法：T1+T2=T，使T1在0~∞范围内变化。

上面三种方法的α的变化范围为0≤α≤1，因而电枢电压平均值为正值，即电机只能在某方向实现调速，称为不可逆调速。而当需要电机在正、负方向上调速运转时，即可逆调速时就需要使用桥式（H）斩波电路，如图1.37所示。

图1.37　桥式PWM斩波器原理图及输出电压波形

（a）原理图；（b）输出电压波形

在图1.37中，晶体管VT1、VT4是同时导通同时关断的，VT2、VT3也是同时导通和关断的，但VT1与VT2，VT3与VT4均不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。设晶体管VT1、VT4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直流短路，该间隔时间称为死区时间）之后，再使晶体管VT2、VT3同时导通T2秒后同时关断，如此反复致使电机电枢电压波形如图1.37（b）所示。

电动机电枢电压的平均值为

式中，0≤α≤1，Ua的范围是-Ud~+Ud，因而电机可以在正负两个方向上调速运转。

1.2.5.3　由集成PWM控制器控制的直流不可逆调速系统

直流电动机的PWM控制可采取不同的控制手段来实现，如使用专用集成控制器，或使用微处理器等，也可以把集成PWM控制器与微处理器配合使用，以下将讨论由SG1525集成PWM控制器控制的直流不可逆调速系统。

1.系统构成

不可逆直流调速系统如图1.38所示。

图1.38　不可逆直流调速系统原理框图

在图1.38中，V为大功率晶体管，R1、C1、VD1为电压吸收电路。M是他励直流电机，VDf是续流快速二极管，L、C分别为滤波电感与滤波电容，另外V为大功率晶体管（BJT），其开关频率一般使用1kHz以下，若使用IGBT时开关频率可使用10kHz左右，开关频率高，则滤波电感、电容的值可以减小甚至不用。

以SG1525集成的PWM控制器所产生的PWM信号，其输出的PWM电压平均值为

其中：占空比α的值由SG1525按定频调宽法确定，即保持T1+T2=T一定，使T1在0~T范围内变化调节。

2.工作原理

（1）PWM比较器反相输入端电压U-的电平越高，则SG1525集成PWM控制器输出的脉冲UⅠ、UⅡ的占空比越大，反之则越小。因此调节指令电位器RP以改变U-的电平，就可以调节占空比α，从而调节电动机端电压，达到调压、调速的目的，在开机初始阶段，通过电容C3充电使占空比由零逐渐增大，而在故障状态时的关闭功能则是封锁PWM波的输出，则是使占空比α=0。

（2）由于输出口Ⅰ、Ⅱ使用的是并联结构，所以晶体管V的输出电压脉冲UⅠ、UⅡ以1kHz的锯齿波频率交替出现。

（3）即使U-的电平上升到与锯齿波峰点电平相等，UⅠ、UⅡ的两脉冲也可能连到一起，它们之间存在一个宽度等于CP脉冲宽度的死区，这样在输出端口Ⅰ、Ⅱ并联使用情况下，占空比α的值也不可能等于1。

（4）如因电网电压波动或负载变化引起的电动机端电压变化，造成电压负反馈信号也发生变化。利用SG1525的调节作用，使电动机端电压恢复正常。

1.2.5.4　由单片机微机控制的PWM直流可逆调速系统

采用微处理器组成全数字PWM系统，可以达到调节器的“最优”设计。目前单片微处理器应用很广泛，典型的应用芯片有：INTEL公司的8051，8096系列；ATMEL公司的89C系列；PHILIPS公司的80C系列等，这些微处理器具有高速数据处理能力，充足的内部定时器/计数器和中断源，足够的内部RAM甚至ROM，有的具备多路高速定时输出口。具体的微处理器调速方法和思路在后面的章节中以实例来着重介绍。