关于PWM变频器的调制方式以及适用范围说明——大疆DJI技术笔试

PWM变频器的调制方式

在PWM控制电路中，载波频率 fc 和调制信号频率 fr 之比成为载波比，根据载波信号和信号波信号是否同步分为同步调制和异步调制。

1. 异步调制
   载波信号和调制信号不保持同步的方式称为异步调制。如图1其中异步调制的载波频率是不变的，但是调制波的频率是改变的。同时由载波比的定义可知，异步调制的载波比也是变化的。
   
   图1

异步调制还有一个重要的特点就是输出的脉冲波是不对成的，不仅1/4脉冲不对成，正负半周期的脉冲也不对称，这会导致电流输出的谐波较多，如图2所示。

图2

异步调制，顾名思义就是调制频率（SPWM中的正弦波频率）与载波（三角波、锯齿波等）频率不成固定比值。这是一种简便易于实现的调制方法。大概可以这么理解，载波不需要根据调制波的变化而变化，载波和调制波可以独立控制。在载波比（载波频率比上调制波频率）非常大（通常可以理解成大于20）的时候，异步调制因为其简便性广泛采用。优缺点：在载波比很大的时候，电机电流波形谐波很小。但是在载波比很小（例如9以下）的时候，电流中会存在很高的低频谐波含量，严重时导致三相电流不对称，即含有直流分量，对电机危害极大。同时，该低频谐波分布不规则，不容易设计后级滤波器（如果需要）。

特点：
1.异步调制的载波比是变化的
2.输出的脉冲波是不对称的，因此异步调制的谐波电流较多。

2. 同步调制
   同步调制，它是异步调制的对立面。就是说，载波比是固定的。如图3所示。这样子的话，无论调制波频率怎么变化，一个调制波周期内，产生的脉冲个数也是完全确定，一个不少一个不多。方波控制就可以理解为一种特殊的同步调制，载波比等于1。优缺点：由于其输出波形的固定，电机的电压电流谐波也就固定，如果需要滤波也相当方便的可以针对性的设计滤波器。但是问题就来了，同步调制该如何保证载波比固定且精确不变呢，载波比该选多少呢。
   
   图3

特点
1.载波比N为常数，每个周期内输出的脉冲数的固定。
2.脉冲相位固定，所形成的相电流较为对称。

3. 混合调制
   混合调制，就是前两者的结合体。为什么会有这么个东西呢？我们假设一下，电机的定子频率范围是0~200Hz，逆变器开关频率（就是所说的载波频率）最高是1000Hz。也就是说，载波比最小的时候只有5！同时，如果电机刚启动时采用同步调制，载波比该选多少，100还是50？无论怎么选恐怕都不合适，因为它不适用整个调速范围。因此这个变态的混合调制就出来了：启动阶段用固定开关频率的异步调制，等到运行至载波比小于某个值（比如15,11等）的时候，再采用同步调制。将两者的优势发挥的淋漓尽致。低速区低谐波，高速区波形分布对称规则。

值得注意的几点
1.异步调制的谐波含量要远高于同步调制。
2.实现载波和调制波的同频同相就需要复杂的控制算法，实现起来相对困难，默认是异步调制的PWM控制。
3.在小功率的电机控制系统中，开关损耗较小，不太需要取刻意的消除谐波。但是在大功率的场合，如果开关频率太高，就会导致开关损耗升高，使用异步调制的话会导致大量的高幅值的低次谐波，所以需要应用同步调制的策略来消除低频的谐波。