使用合适PWM驱动我们的电机系统，在什么条件下可以再生最大的能量

那么，哪种 PWM 技术最适合您的电机控制应用?当然有很多选择可供选择，每一种都具有独特的优点和缺点。在关于该主题的最后一篇文章中，我们将讨论直流和交流电机的再生。由于电动和混合动力汽车的普及，这在过去十年中已成为一个更加相关的话题。在这些应用中，再生发生在直流母线中，最终连接到车辆中的直流电池组。但我们将在这篇文章中看到，我们也可以将其再生回交流电源，例如交流电网。

在本系列的第 4 部分中，我们研究了 4Q 双极 PWM 技术在直流电机中的应用。我说过，只要 PWM 过程中施加的平均电压大于电机的反电动势电压，并且两个电压具有相同的极性，那么系统就会在电动模式下运行。相反，如果施加的平均电压小于电机的反电动势电压，并且极性相同，则系统运行在发电模式。事实证明，这条规则不仅适用于双极 PWM，而且适用于我们研究过的所有四象限 PWM 技术。但如果施加的平均电压极性相反呢?另外，在什么条件下可以再生最大量的能量?

为了回答这些问题，让我们看一个具体的例子并将我们的发现外推到一个通用的解决方案。考虑以下由 H 桥供电的有刷直流电机的情况，该电机连接到坚硬的 24V 电源。电机轴连接到测功机，测功机使电机反向旋转(负反电动势)。

在 t = 0 时，电机的反电动势电压为 -24 伏，PWM 占空比为 -1(Q2 和 Q3 在 100% 的时间内开启)。现在，让我们慢慢地将 PWM 值从 -1 扫描到 +1(Q1 和 Q4 在 100% 的时间内开启)。已创建此场景的 Spice 仿真，所得平均应用电机电压以及总线功率如下图所示。您可以单击此处的链接自行下载并运行 Spice 仿真。

我们可以收集到一些有趣的观察结果：

1. 由于反电动势电压为 -24V，从 -1 到 0 的整个 PWM 范围将产生一个应用的平均电机电压，其幅度较小且与反电动势电压具有相同的极性。因此，从 -1 到 0 的 PWM 值会导致再生。

2. 当施加的平均电机电压为-12V 时，发生最多的能量再生。事实上，当施加的平均电机电压等于反电动势电压的一半时，总是会出现最大功率再生点! 如果您不相信我，请尝试在模拟中更改测功机速度并亲眼看看!

3. 当 PWM 值达到 0(占空比为 50% 的双极电机电压)时，总线功率也变为零，尽管电机电流继续增加。动能不是被送回直流母线，而是消耗在电机绕组和电源开关中。

4. 从 0 到 +1 的 PWM 值创建一个与反电动势电压相比具有相反极性的平均施加电压。因此，再生不可能发生。取而代之的是进入“堵塞”区域，在那里动能再次耗散在电机绕组和电源开关中。但在堵塞区域，母线电压现在与反电动势电压串联，以增加电机电流。如果任其发展，电流可能达到潜在的危险水平。

无论您选择哪种四象限 PWM 技术，所有这些观察结果都可以总结在下图中。可以看出，通过简单地控制相对于直流电机的反电动势电压的平均施加电压来控制能量流。(在这一点上，我应该提醒你，决定是否发生再生的实际上是平均母线电流。但是，施加的平均电压与反电动势电压之间的关系，以及所使用的 PWM 技术的类型, 建立将导致正或负母线电流的稳态条件。)

上图适用于直流电机。但您可能会问，“交流电机呢?这里也有类似的关系吗?” 好吧，我很高兴你问了。 :-) 简单的答案是“是”。然而，反电动势信号是正弦波，即使在稳态条件下也会改变极性，因此上图不适用于交流电机。相反，我们必须关注EMF 电压相量和电流相量之间的角度关系。对应于交流电机轴功率的每相电功率为：

其中： EMF m和 I m分别是正弦反电动势和电流波形的峰值幅度。

q 对应于 EMF 和电流相量之间的角度。

从这个等式中，我们可以看出，对于给定的电流大小和 EMF 电压，最大功率传输发生在q等于零或 pi 时。从反电动势电压的角度来看，这些条件也会导致单位功率因数。可以看出，这两种运行条件也会导致电机上的最大每安培扭矩 (MTPA)。所以我们想把电流相量放在与反电动势相量相同的轴上。对于q = 0 的情况，功率为正，这意味着功率正在传输到电机。当q = pi 时，功率为负，这意味着功率正在从电机传输。

交流电机绕组的每相电路显示在图的顶部。您可以通过简单地使电流相量与反电动势相量同相或 180 度异相来控制您是在电动模式还是发电模式下运行。为了实现这一点，您需要应用于 H 桥的电压相量的实部和虚部值可以通过简单地将每相电路周围的电压降相加来计算：

为了进一步探索这个概念，创建了一个 Spice 模型，该模型由连接到 H 桥并由双极 PWM 驱动的单相交流电机创建。您可以在此处下载模拟。

例如，我们假设所需的电流值为正 10 安培(电动模式)。创建与 EMF 相量完全同相的 10A 相量所需的外加电压波形的实部和虚部分量是通过使用上面显示的相关源 B2 和 B3 的等式计算的。生成的正弦波形以代数方式相加，然后按总线电压缩放以实现 +/-1 的调制范围。下图显示电流波形确实与 EMF 完全同相，平均母线电流为正。

现在让我们将所需电流更改为负 10 安培(发电模式)并重新运行模拟。生成的波形再次显示如下。在这种情况下，电流波形与 EMF 波形异相 180 度，平均母线电流现在为负。

您可能已经注意到我为电机的反电动势电压选择的有趣值。170V恰好是美国住宅交流电压的峰值。请记住，每台电动机都是一台发电机，每台发电机都是一台电动机。因此，如果您通过串联电感将墙上插座连接到 H 桥的输出端，您可以将电网想象成一个以非常恒定的速度运行的非常大的电机。通过了解电感器的值及其寄生电阻，您可以同步到电网并计算需要调制到 H 桥上的波形，以控制流入或流出电网的功率。在许多情况下，该直流总线连接到后端控制电机的另一个逆变器。通过监测直流总线的电压电平并将其与所需值进行比较，您可以调整 H 桥上的调制，以从电网中提升母线电压(电机正在运转)，或者通过将多余的能量返回交流电网(电机正在发电)来降低母线电压。如上所述，通过将电流相量与电网电压对齐，您可以获得近乎完美的效果单位功率因数，无论能量流向哪个方向!很整洁吧?

此时您可能会问，是否可以通过使用三相逆变器而不是 H 桥将上述功率控制技术扩展到三相系统。答案是响亮的“是!” 事实上，你有两个选项可以用来完成这个，我已经看到使用这两种技术构建的系统：

1. 第一种选择是简单地将上面讨论的技术外推到三个独立的控制问题。也就是说，在电网各相和逆变器各相之间串接一个电感，如上所述独立控制逆变器中的各个半桥。这种技术的优点是可以在三相系统上工作，即使它们是不平衡的，因为每个相的计算都是独立处理的。

2. 将所有三相视为单个控制问题，并使用磁场定向控制 (FOC) 技术将交流电网电流空间矢量与交流电网电压空间矢量对齐在同一轴上。这种方法的优点是简单，因为它只需要一种控制算法，而且它重用了 FOC 的公共库调用的相同例程。

已经为单相和三相系统建立了四象限控制仿真模型，并将在稍后的文章中介绍。三相仿真使用上述第二种方法，因此在介绍此解决方案之前涵盖 FOC 是有意义的。

很抱歉这篇冗长的文章，但我想冲刺一下终点线，以防止它溢出到“第 8 部分”!不管您是否相信，我们仍然没有涵盖所有 PWM 调制技术。例如，我们没有谈论不连续PWM，其名称源于电机电流可以在低调制指数的 PWM 周期内从导通转变为非导通这一事实。然而，这不是一种非常流行的技术，因为随着电机电流在不连续和连续模式之间转换，系统动力学可能会突然改变。此外，我们只是略微触及了空间矢量调制的皮毛，它正迅速成为交流电机最流行的调制技术。然而，这种技术非常普遍，我认为它值得在未来的文章系列中进行特殊处理。但希望我们涵盖了足够多的 PWM 技术，可以为您的下一个电机控制设计提供大量可供选择的解决方案。

请记住，我们在本系列中讨论的所有技术都可以通过我们的 C2000 嵌入式处理器上的 PWM 模块实现。在许多情况下，我们创建了应用说明和参考设计，可以帮助您设置 PWM 模块以完成特定类型的调制。