一、脉冲序列调制（PSM）
脉冲宽度调制（PWM）、脉冲幅值调制（PAM）和脉冲密度调制（PDM）都是脉冲序列调制技术，它们通过改变脉冲信号的某一特性（宽度、幅值或密度）来编码或传递信息。以下是它们各自的优缺点及应用场合：
脉冲宽度调制（PWM）
优点：
- 高效能：PWM在开关状态下工作，功率器件大部分时间处于全开或全关状态，损耗较小，有利于提高系统效率。
- 简单易实现：PWM硬件实现相对简单，只需要比较器和逻辑门电路即可完成基本的PWM信号生成。
- 易于滤波：PWM信号的谐波成分主要集中在开关频率及其倍频处，利于设计滤波器进行有效滤波，恢复出高质量的模拟信号。
- 良好的抗干扰能力：由于脉冲的幅度恒定，仅通过宽度变化传递信息，对幅度噪声不敏感。
- 广泛的适用性：PWM广泛应用于电力电子设备（如开关电源、电机驱动器）、通信（如数字音频、视频传输）、照明控制（如LED调光）等领域。
缺点：
- 电磁兼容性问题：高速开关过程可能产生较大的电磁干扰（EMI），需要采取额外措施进行抑制。
- 对开关器件要求高：PWM要求开关器件能快速开通和关断，且承受较大电压、电流应力，可能增加设计复杂性和成本。
脉冲幅值调制（PAM）
优点：
- 更精细的信号分辨率：通过改变脉冲幅度可以实现比PWM更高的信号分辨率，尤其适用于需要高精度控制的应用。
- 降低开关损耗：相较于PWM，PAM在较低的开关频率下可达到同样的控制效果，有助于减少开关损耗。
- 适用于低电压应用：在某些低压或微弱信号环境中，改变脉冲幅度可能比改变脉冲宽度更容易实现或更经济。
缺点：
- 滤波难度增大：由于脉冲幅度变化会导致频谱分布较宽，滤波器设计复杂，恢复模拟信号的难度增大。
- 对线性度要求高：PAM系统需要精确控制脉冲幅度，对功率放大器的线性度要求较高，否则会产生非线性失真。
- 抗干扰能力相对较弱：脉冲幅值的变化容易受到幅度噪声的影响，抗干扰能力不如PWM。
脉冲密度调制（PDM）
优点：
- 简化硬件：PDM通常采用二进制脉冲串，硬件实现简单，尤其适用于低功耗、低成本的数字音频接口（如数字耳机接口）。
- 抗抖动性能好：由于PDM是基于脉冲序列的统计特性来传递信息，对单个脉冲的定时误差有一定的容忍度。
- 抑制量化噪声：PDM信号的高频分量有助于在后续数字滤波或模拟低通滤波过程中自然衰减，有助于抑制量化噪声。
缺点：
- 需要高采样率：为了保持良好的信号质量，PDM通常需要比PWM和PAM更高的采样率，增加了数据传输负担和系统功耗。
- 复杂的解调和滤波：PDM信号解码需要高效的过采样数字滤波器或高质量的模拟低通滤波器，设计和实现较为复杂。
- 应用范围相对有限：PDM主要用于特定的音频信号传输（如数字麦克风、数字音频接口）和其他需要高分辨率、低噪声的数据采集场合。
脉冲频率调制（PFM）
优点：
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高效能量利用：
- PFM在低占空比（即脉冲持续时间相对于脉冲周期的比例较小）下尤其节能，因为它仅在必要时才提供能量。在电池供电设备或能源效率要求高的应用中，PFM能显著降低功耗。
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低平均功率：
- 由于脉冲频率的调整而非脉冲幅度，PFM能在保持输出平均值不变的情况下降低峰值功率，有利于减少散热和延长元器件寿命。
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避免饱和问题：
- 对于功率电子设备，如开关电源和驱动电路，使用PFM可以避免在高占空比下工作时的开关元件或变压器饱和问题，因为它们在每个周期内的导通时间相对较短。
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简单硬件实现：
- 相对于脉冲宽度调制（PWM），PFM的控制电路通常更简单，因为它只需要控制脉冲的产生速率，而不需要精确控制每个脉冲的宽度。
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良好的电磁兼容性（EMC）：
- PFM产生的高频脉冲序列有助于降低低频噪声和降低EMI，因为高频成分更容易通过滤波器去除。
缺点：
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可能产生较高谐波：
- PFM信号的非连续性可能导致较高的谐波含量，尤其是在频率变化剧烈时，可能需要额外的滤波措施来满足EMC标准。
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对频率检测要求较高：
- 接收端需要具备高精度的频率检测能力，尤其是在低频信号下，对频率分辨率要求较高，否则可能影响信息的准确解码。
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动态响应可能较慢：
- 由于频率的变化通常不如脉冲宽度变化那么迅速，PFM在需要快速响应的系统中可能表现不佳，特别是在需要快速跟踪变化的负载或信号条件下。
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可能产生音频噪声：
- 在某些应用（如音频放大器）中，PFM可能导致可听见的噪声，因为人耳对频率变化比对幅度变化更为敏感。
综上所述，脉冲频率调制（PFM）因其节能、简单硬件实现和避免饱和等优点，在电源管理、马达驱动、无线通信、音频视频信号处理、照明控制和遥测等领域有广泛应用。然而，其也可能产生较高谐波、对频率检测要求较高以及动态响应较慢等缺点，需要根据具体应用需求权衡选择。在特定场景下，如低速PLC（电力载波通信）应用或电力电子设备内部，脉冲序列调制技术可能作为实现PLC通信的一种手段。
应用场合：
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PWM：广泛应用于电力电子设备（如开关电源、马达驱动器）、数字音频与视频信号传输、照明控制、温度控制、功率因数校正（PFC）等需要高效功率转换和精确控制的应用。
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PAM：常用于需要高精度控制、较低开关频率和良好线性度的场合，如某些电力传输系统、通信系统中的线性调制、精密测量仪器等。
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PDM：主要应用于数字音频接口（如蓝牙耳机、手机耳机接口）、数字麦克风、压力传感器等对噪声敏感、需要高分辨率数据采集的场合。
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PFM：电源管理：PFM常用于开关电源、DC-DC转换器和电池充电器，以根据负载需求动态调整电源输出，实现高效能源管理。马达驱动：对于某些低速运行或需要精确速度控制的电动马达，尤其是采用压电或超声波马达，PFM可用于提供精确且节能的驱动信号。无线通信：在射频（RF）通信系统中，PFM可用于生成脉冲序列，实现低功耗的无线传输，尤其是在远程监控、物联网（IoT）设备和无线传感器网络中。音频与视频信号处理：虽然在某些情况下可能产生音频噪声，但在特定的音频或视频编码技术中，PFM仍可用于压缩数据或控制信号强度。照明控制：LED驱动电路中，PFM可以用来调整光源亮度，尤其适用于需要精细亮度控制和高能效的场景。遥测与测量：PFM用于遥测系统中，可以实现对物理参数（如压力、温度、位移等）的远程测量，尤其是在能源受限的无线遥测设备中。
二、与MPC的配合
模型预测控制（MPC）
模型预测控制（MPC）并不是一种脉冲序列调制方法，而是现代控制理论中的一种先进控制策略。它并不直接生成脉冲序列，而是通过优化算法对未来一段时间内的控制输入（如电压、电流指令）进行规划，以实现对受控系统的最佳动态性能。
基于模型：MPC依赖于被控对象的数学模型，可以是状态空间模型、传递函数、阶跃响应模型等，用于预测未来系统状态和输出响应。
滚动优化：MPC在每个采样时刻根据当前状态和模型预测未来一段时间内系统的状态轨迹，并通过优化算法（如二次规划）计算出未来一段时间内的最优控制序列。
有限时域控制：MPC只执行优化得到的控制序列的第一个控制值，随后在下一个采样时刻重复上述过程，形成“滚动”优化。
约束处理：MPC能够考虑系统的各种约束条件，如输入/输出限制、状态约束等，确保控制决策在可行域内。
反馈校正：实际系统输出与预测模型之间的偏差通过反馈机制被纳入下一时刻的优化过程，实现闭环控制。
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MPC 与 PSM 之协同
以下是MPC在电力电子和电机控制中如何与脉冲序列调制协同工作的简要过程：
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系统建模：首先，构建被控对象（如电机或电力变换器）的数学模型，包括其动态行为、非线性特性以及可能的约束条件。
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MPC设计：
- 设定预测时域：确定预测窗口长度，即考虑未来多少个采样周期。
- 定义成本函数：根据控制目标（如转矩跟踪、效率优化、谐波抑制等）设置优化目标函数。
- 设定约束：考虑输入/输出限幅、硬件限制（如开关频率上限）、状态变量限制等。
- 滚动优化：在每个采样时刻，根据当前状态和模型预测未来状态，并通过优化算法求解未来一段时间内的最优控制序列。
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控制信号转换：MPC计算得到的最优控制序列（如电流指令）是连续或离散但平滑的值。为了将其转化为实际可施加的控制动作，需要借助脉冲序列调制技术。
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脉冲序列调制：
- 选择调制方式：根据系统需求和硬件特性选择合适的脉冲序列调制方式，如PWM、PFM、PAM或PDM。
- 映射关系：建立控制信号（如电流指令）与调制参数（如占空比、脉冲幅值或脉冲密度）之间的映射关系。
- 生成开关序列：依据映射关系和选定的调制方式，将MPC给出的控制指令转换为具体的开关状态序列（ON/OFF），供功率开关管使用。
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执行与反馈：功率开关管按照生成的开关序列工作，实际系统状态通过传感器反馈至MPC，形成闭环控制。
综上所述，尽管MPC在电力电子和电机控制应用中确实通过优化计算间接影响了功率开关管的开关状态，但它并不直接生成开关序列。MPC提供的是连续或离散但平滑的控制指令，这些指令需要经过脉冲序列调制这一中间步骤，才能转化为适用于功率开关管的开关控制信号。因此，MPC与脉冲序列调制是控制策略与执行手段之间的有机配合，共同实现对电力电子拓扑和电机的精确、高效控制。
