脈寬調制 ，PWM（Pulse Width Modulation），通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術主要應用在電力電子技術行業(yè)，具體講包括風力發(fā)電、電機調速、直流供電等領域。在其諸多應用領域中，在這我們只講電動汽車中的PWM應用。

電動汽車上的電源是蓄電池，蓄電池為電動汽車的驅動電機提供電能，電機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置，此時的電機稱為“電動機”。蓄電池是直流電，需要將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡孀冸娐罚妱悠囍械哪孀儗儆跓o源逆變），這一過程中幾乎都是采用PWM技術。PWM 逆變電路分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM 逆變電路幾乎都是電壓型電路。

電機除了擔任動力傳遞的角色之外，還能夠為電池進行反向充電，此時電機被稱為“發(fā)電機”。在電動車減速時，制動能量回收系統則是通過電機將電能傳回給電池。將直流轉換為交流的電路稱為逆變電路，將交流轉換為直流的電路稱為整流電路。將電能反哺給電池的過程則需要用到整流電路。電機通過控制器實現交/直流的互換，如下圖所示。

1. PWM概念

在這以直流斬波器說明PWM概念，電機系統的原理圖和電壓波形如下圖所示。當開關S導通時，直流電源電壓Us加到電動機上，當S關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞電流經續(xù)流二極管VD續(xù)流，電機兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如右圖所示，好像是電源電壓Us在ton時間內被接通，又在T-ton時間內被斬斷，故稱為“斬波”。

電機得到的平均電壓為

式中：T，開關周期

f，開關頻率，等于1/T

ton，導通時間

ρ，占空比，ρ=ton/T=fton

根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，可以劃分三種控制方式：

T不變，變ton： 脈沖寬度調制 （PWM）；

ton不變，變T： 脈沖頻率調制 （PFM）；

T和ton都可調： 混合型 。

以上三種控制技術，數PWM 控制技術在逆變電路中應用最廣，最具有代表性，應用的逆變電路絕大部分都是PWM 型，除了功率很大的逆變裝置外。PWM 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。

像在AC電機控制器中，通過PWM控制開關頻率實現控制轉速，由于PWM有著其他技術無法比擬的優(yōu)點，例如：調速范圍寬、快速性好、波形系數好、功率因數好等，因而，得到了廣泛的應用。

2. PWM控制技術基本思想

我國交流電的頻率是50Hz，因此，交流電的波形是正弦波。那么，PWM控制技術的目標就是用什么樣的信號或波形來代替這個正弦波交流電。這個信號可以是形狀不同的各種窄脈沖，如方波、三角波等。而在我們今天要講的電動汽車中采用的是等幅但不等寬的脈沖來代替這個正弦波。

在這以半個正弦波為例進行說明，將正弦半波進行N等分，可以看成是N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等，如下圖a）所示。然后用矩形脈沖代替這N個寬度相等，幅值不等的脈沖，而矩形脈沖是等幅，不等寬的脈沖，如下圖b)所示。并且這個脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。而這一系列等幅不等寬的脈沖，我們稱之為PWM波。

用PWM波形代替這個正弦半波的過程如下圖所示。首先將正弦半波等分，每個等分的脈沖寬度是相同的，但幅值不同，然后使用一系列PWM波，即等幅但不等寬的脈沖來代替這個正弦半波。每個等幅不等寬的脈沖與等寬脈沖的面積（沖量）相等，中點重合。PWM波的寬度按正弦規(guī)律變化，若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。最后，這個PWM波等效為正弦交流電。

對于正弦波的負半周，采取相同的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整的周期的等效PWM波形如下圖所示。

根據面積等效原理，正弦波還可以等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為常見。

3. PWM控制過程

PWM控制技術對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，即PWM波，用PWM波來代替正弦交流電壓。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。如下圖所示，當改變脈沖的周期（開關頻率）時，起到了改變輸出頻率的作用。

上圖是以單相電壓型逆變電路為例進行說明的，因為直流電源Ud的矩形波U0展開成傅立葉級數為

所以，圖中的頻率為開關頻率的1，3，5倍。開關周期越短，頻率越高。開關頻率及它的倍頻對應瀑布圖中傘狀階次中的中心頻率，如下圖所示。

對于PWM而言，由于脈沖的寬度是不變的，因此，下圖中相鄰兩條藍色虛線對應的時間是不變的，調制的是中間綠色虛線的時間，也就是脈沖寬度，通過調節(jié)開關的導通時間來控制脈沖寬度。對信號1進行調制，按某個規(guī)律進行脈寬調制，從而獲得信號2，信號1與信號2的原始頻率是相同的（因為開關周期沒有變化），只是脈沖寬度不同。如果開關周期時刻發(fā)生變化，則對應的調制稱為脈沖頻率調制。

將脈沖寬度按正弦規(guī)律變化進行調制，調制成想要的正弦波，若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。

在進行PWM控制時，脈沖信號通過電機的慣性進行平滑。理想的交流電壓應是正弦波，如下圖中的正弦參考（圖中紅線表示），但實際電壓（圖中綠線表示）是存在波動區(qū)間（圖中兩虛線表示的區(qū)間），這個波動區(qū)間也稱為遲滯帶。正是因為遲滯帶的存在，當對信號進行FFT分析時，才使得瀑布圖中出現了傘狀的階次線（關于這一點，后續(xù)將有詳細介紹）。

4. AC轉換到DC

以上介紹的DC轉換到AC的控制過程。將直流轉換為交流的電路稱為逆變電路，PWM控制技術在逆變電路中應用廣泛。將交流轉換為直流的電路稱為整流電路，同樣，PWM控制技術也可應用于整流電路，可以看成逆變電路中的PWM技術向整流電路的延伸，這一小節(jié)主要講述整流過程中的應用。

由于交流電不同的國家采用的標準是不相同的，像USA交流電是110V，60Hz，而我國采用的是220V，50Hz。對于一個正弦的交流電來說，不進行任何轉換，其直流電壓為0。

當對單相交流電進行整流時，又分為半波整流和全波整流。半波整流是指對半個正弦波進行整流，整流后的直流電壓為交流電峰值/л，直流電壓如下圖中虛線所示。

全波整流是指對交流電整個正弦波進行整流，包括負半部分，整流后的直流電壓為交流電峰值/л的2倍，直流電壓如下圖中虛線所示。相比于半波整流，全波整流獲得的直流電壓幅值提高一倍。

三相交流電也分半波整流和全波整流。三相交流電中每相相差為120度，如下圖所示，此時的直流電壓為0。

當對三相交流電進行半波整流時，整流后的直流電壓如圖中黑色曲線如示。

將直流電壓曲線單獨拿出來，如下圖所示。

倘若各相都正常工作，由于我國交流電的頻率為50Hz，因此，信號中的頻率成分應為主線頻率（50Hz）和3倍的主線頻率（150Hz），如下圖所示。

若是對三相交流電采用全波整流，則整流后的波形如下圖所示，由于三相中每相相差120度，而全波整流時，將負部分反向，因此，此時各相相差60度，如下圖所示。

整流后得到的直流電壓如下圖中黑色曲線所示，虛線為直流電壓幅值。

從下圖可以看出，全波整流后的直流電壓更平直，與半波整流相比，直流電壓波動更小，更趨向于直流電。

此時信號中的頻率成分為主線頻率（50Hz）和6倍的主線頻率（300Hz），如下圖所示。

如果全波整流中有某一相交流電出現問題，也就是說控制器控制過程中出現問題，則在整流中會導致某相交流電丟失，如下圖所示。與上面的全波整流正常的情況相比，可以看出，綠色相交流電的后半個正弦波丟失了，則整流后的直流電壓曲線在這部分有明顯的下降，見下圖中黑色曲線。

正常的信號頻率應該是主線頻率和6倍的線頻率，如果控制器出現問題，導致某相交流電丟失，則信號頻率將出現其他倍頻。如果在三相全波整流中出現高的2，3，4和5倍線頻率，則表明整流電路出現了問題，如下圖所示。這些倍頻都是問題頻率。

對于正常的整流電路，信號的正常頻率應如下表所示。若有大的其他頻率成分出現，則說明整流出現了問題。