探究PWM控制器的控制方法

探究PWM控制器的控制方法

陆秋旭 郑文东 毛昌平

重庆海德世拉索系统(集团)有限公司  重庆  401120

摘要：PWM控制器的工作原理是，周期性地改变信号的占空比（即高电平时间与周期时间的比值），以达到控制电路输出的目的。通过调节占空比，PWM控制器可以在不改变信号频率的情况下，改变输出信号的平均电压或平均功率。

关键词：PWM；控制器；控制方法

引言

在信息化社会飞速发展的年代，电源管理芯片不仅在传统消费电子领域应用广泛，电动汽车、物联网、医疗、工业机器人、人工智能等新兴产业日新月异的发展，也为电源管理芯片开辟了新的市场，推动着电源管理芯片技术的革新与进步。针对在通信、工业、汽车、新能源等领域对高效率、低纹波、大功率的电源芯片日益增长的需求，传统单路 DC-DC 转换器的应用越来越局限，而双路交错技术的纹波特性好、功率开关管应力小等诸多优势慢慢浮现。因此，对于PWM控制器技术的研究十分重要。

一、PWM控制器概述

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制器是一种电子器件或电路，用于调控电路输出的电平或功率。它通过改变电路信号的脉冲宽度，来控制输出信号的平均电压或功率。PWM控制器的主要概述如下：

第一，调制方法：PWM控制器常用的调制方法有基于脉冲宽度的PWM调制（如常见的单极性PWM调制）和基于脉冲位置的PWM调制（如双极性PWM调制）。这些方法根据具体应用的要求选择不同的调制策略。第二，控制范围：PWM控制器可以根据应用需求调节不同的占空比，从0%（完全关断）到100%（完全通导），实现信号的连续变化和精确控制。第三，频率：PWM控制器的工作频率通常在几十赫兹到几千赫兹之间，并且可以根据具体应用的要求进行调节。第四，输出稳定性：PWM控制器通过快速开关操作，能够使输出信号更稳定，减少电源噪声对输出的影响。第五，效率和功率调节：PWM控制器能够通过调节占空比，控制电路的平均输出电压或功率，从而实现能量的高效利用和功率的精确调节。第六，应用领域：PWM控制器广泛应用于各种电力电子系统中，例如电机驱动、电源转换器、LED调光、电磁阀控制等。它可以提供高效的电力控制和精确调节的功能。

总之，PWM控制器是一种通过调节脉冲的宽度和位置，实现电路输出信号的平均电压或功率的控制器。它广泛应用于各种电力电子系统和控制应用中，以实现高效、稳定和精确的电路控制。

二、PWM控制器的控制方法研究

（一）脉宽变化调制（Pulse Width Modulation）

脉宽变化调制是最基本和常见的PWM控制方法。它通过改变脉冲信号的高电平和低电平的持续时间来控制输出信号的平均电平。占空比（Duty Cycle）表示高电平时间与一个周期的比例，占空比越大，平均电平越高。

（二）脉宽频率调制（Pulse Width Frequency Modulation）

脉宽频率调制是一种将控制信号的脉冲宽度和频率同时调制的方法。通过改变脉冲宽度和频率的组合，可以实现更精确的输出控制。通常，在较低频率下提供较大的脉冲宽度变化范围，在较高频率下实现更高的输出精度。

（三）脉宽相位调制（Pulse Width Phase Modulation）

脉宽相位调制是一种将控制信号的脉冲宽度和相位同时调制的方法。它在控制信号的脉冲宽度上添加相位调制，可以产生相位移的脉冲信号。通过控制脉冲宽度和相位，可以实现更复杂的信号控制，例如频率和相位调制。

（四）多级PWM调制（Multilevel PWM Modulation）

多级PWM调制被用于提高PWM输出精度和减小谐波等效应。它通过在PWM波形中引入更多的电平，形成多级电平，从而实现更精确的输出控制。多级PWM调制广泛应用于电力电子领域，如变换器、逆变器等。

（五）调制器专用的PWM控制方法

在一些特定的应用领域，例如电机控制和照明调光等，会采用一些特殊的PWM控制方法，以实现更高级的控制策略。例如，电机控制中的矢量控制和空间矢量调制等方法，照明调光中的色温调节和亮度调节等方法。

（六）降压补偿PWM控制（Buck Compensation PWM Control）

这种PWM控制方法用于降压型电力转换器，以提高系统的稳定性和动态响应。补偿网络根据电流和电压的变化情况调整PWM控制信号，通过补偿链路实现更准确的输出控制，在电力转换器中应用广泛。

（七）死区PWM控制（Dead-Time PWM Control）

为了防止开关器件同时导通而产生短路，通常在PWM控制信号中引入一个死区（Dead-Time），即两个开关转换的时刻之间存在一段保护时间。死区PWM控制通过调整死区时间，确保开关器件之间的正常切换，并避免短路问题的发生。

（八）无传感器控制（Sensorless Control）

某些应用中，为简化系统结构和降低成本，可以采用无传感器控制方法，通过利用系统内部的特性和反馈信号进行PWM控制。例如，无刷直流电机的无传感器控制方法使用反电动势和电流测量来实现电机转速的控制。

（九）调制波特性控制（Modulation Index Control）

在一些应用中，通过调整PWM控制信号的调制波特性，可以实现不同的输出特性和功能。例如，调制波特性控制方法可以调节输出的波形形状、频谱分布等，适用于特殊的电力调节、音频信号处理等应用。

三、促进PWM控制器更好进行控制的创新途径

（一）控制算法创新

开发新的PWM控制算法是提高PWM控制器性能和精度的重要途径。可以研究和设计更高级的控制算法，如模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。这些算法可以更准确地应对非线性、变化和不确定性等因素，提升PWM控制器的响应速度和稳定性。

（二）混合控制方法

结合多种控制方法和技术，如PID控制、模型预测控制、优化控制等，可以提高PWM控制器的控制效果。通过综合利用不同的控制策略，可以在不同工况下实现更好的控制性能和适应性。

（三）新型硬件与电路设计

研发新型的PWM控制器硬件和电路设计，可以提高其运算速度、响应能力和抗干扰能力。例如，采用先进的高速功率半导体器件、高效的电源管理电路以及抗噪声和抗电磁干扰的设计，可以增强PWM控制器的性能和稳定性。

（四）数字化控制

应用数字信号处理（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等技术，将PWM控制器转为数字化控制。数字化控制可以提供更高的精度、更灵活的算法实现以及更丰富的功能扩展性，便于自适应控制和参数调整。

（五）智能化技术应用

结合人工智能、机器学习和大数据分析等智能化技术，可以优化PWM控制器的控制策略和调试过程。通过利用数据驱动的智能算法，可以实现自动调参、自适应控制和故障诊断等功能，提高PWM控制器的智能化水平。

（六）实时监测与反馈

引入实时监测和反馈机制，通过传感器、传感网络和信号处理等技术，实现对PWM控制器和控制对象的实时监测和数据采集。基于监测数据，可以进行实时分析和调整，及时修正控制误差，提升PWM控制器的稳定性和性能。

结语

综上所述，通过开发新的控制算法、混合控制方法以及应用新型硬件设计和智能化技术，可以提升PWM控制器的精度、稳定性和智能化程度，满足不同应用领域对PWM控制的高要求。此外，实时监测与反馈机制的引入，也能够实现对PWM控制的精确监控和调整。这些创新途径，将推动PWM控制器技术的发展和应用的广泛化。

参考文献：

[1]慕文博.双路交错电流模PWM控制技术的研究与实现[D].西安电子科技大学,2022.

[2]伍翊天.一种集成同步整流技术的半桥PWM控制器的研究与设计[D].电子科技大学,2021.

[3]刘行博.一种宽输入半桥栅极驱动PWM控制器的研究与设计[D].电子科技大学,2021.