電機控制中，載波頻率是控制環路中很重要的一個因素，筆者在實際工作中，發現不同的應用場景，不同的硬件平臺，不同的軟件實現方案，對應著各種各樣大小不同的載波頻率，有8KHz, 10KHz, 16KHz，20KHz, 40KHz，甚至還有控制過程中變載波頻率的。的確，確定什麼樣大小的載波頻率是非常有講究的，選的恰當與否將直接影響最終的控制效果，選的不好甚至會導致控制環路失敗。
筆者就試著來探一探這裡面的門道。
PWM（Pulse Width Modulation），中文稱作脈寬調制, 就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形（包括形狀和幅值）。它能夠將信息電路計算出來的輸出參考信號轉換成對應的控制信號，來控制電力電子器件的導通與斷開，從而得到期望的輸出信號。
通俗的說，就是控制脈沖的頻率和占空比，產生我們所需要的電壓大小。
載波頻率（以下簡稱載頻）的選擇至少要考慮以下因素：
1.基波頻率
基波頻率就是電機運行最高轉速時對應的電頻率，比如4對極電機3000rpm時，基波頻率就是200Hz；計算公式是：
F= Speed /(60/pole pairs)
而載波頻率是開關管開通關斷的頻率，電力電子器件高速開關的特性使得我們可以用載波頻率把基波頻率的波形細節都“描點”出來。載波頻率越高，在一個基波周期內，“描點”的數量就越多，就越能把基波頻率的細節還原出來，控制效果就越好。通常，在實際操作過程，至少要取載波頻率是基波頻率的10倍以上。如基波頻率是200Hz，則載波頻率就需要2KHz以上，即使這樣，200Hz時才描10個點，也就是360度電頻率周期中每間隔36度要描繪和控制出一個點，對控制環路要求已經很高瞭。如果能盡量提高載波頻率的話，應該盡量提高。
2. 硬件實現
電力電子器件中手冊規格書都有對可使用的載波頻率范圍的說明，以英飛凌的一款功率模塊為例：
推薦的最大載波頻率是20KHz，同時還不能超過不同殼溫、不同電流下載波頻率的要求，即安全工作區域（SOA）：
如100C的殼溫，如果相電流達到6Arms，那載頻隻能選擇小於16KHz，如果相電流已經達到瞭將近8Arms，那麼隻能選擇載頻小於6KHz。
所以無論是選MOSFET，還是IGBT都需要關註規格書上對載頻的具體要求，硬件實現不瞭，軟件設計地再好也是白搭。
3、諧波電流
諧波電流就是將非正弦周期性電流函數按傅立葉級數展開時，其頻率為原周期電流頻率整數倍的各正弦分量的統稱。
一般正弦基波電流波形如下：
對每一個周期的電流波形展開後，就會發現或多或少的存在高次諧波：
諧波電流過大時，會造成轉矩輸出脈動，同時電流采樣不準確，甚至造成電流環環路控制不穩，產生異常。諧波電流的大小與載頻密切相關，它的計算公式是：
Deta(I) = Deta(V) * Deta(T) /L
當載頻設定為16KHz時，電機的電感為56mH，母線電壓是310Vdc驅動的電機，使用SVPWM空間矢量調制，諧波電流的大小可以通過計算得出在19mA到38mA之間。
從上面的計算過程中可以看出，提高載頻是有利於降低諧波電流的；同時，對於某些相電感較小的電機，如微亨 mu H 級別相電感的電機，為瞭不使諧波電流過大，就需要加倍提高載波頻率。比如在相關的手冊，有這樣一句話：
一般來說，諧波電流不能超過電機額定相電流的10%，否則的話就會產生預料不到的後果。
4、軟件實現
從上面的分析來看，在硬件條件允許的情況下提高載波頻率是有利於提高控制效果的，但是也並不是可以無限制的提高，從軟件角度出發至少有三個約束條件。
- MCU晶振頻率
想要執行FOC控制算法，一般都要求晶振頻率在40MHz以上（隻考慮通用MCU，不考慮使用FPGA或是專用芯片的情況），同樣的晶振頻率，如果載波頻率越高，就意味著PWM的分辨率越低。PWM通常采用先上升後下降中心對齊計數的方式，載頻越高，能統計的“數”就越小。假設是40MHz的晶振，16KHz的載頻，可以計1250個數；20KHz的載頻，隻能計1000個數；那麼PWM中每一位的分辨率就下降瞭。
16KHz： 40000/(16*2) = 1250；
20KHz： 40000/(20*2) = 1000；
PWM每一Bit分辨率計算公式：
- FOC程序執行時間
通常來說需要在一個PWM周期內將FOC程序全部執行完一遍，衡量FOC程序執行時間占整個PWM周期比重的指標就是CPU load。載頻越高，PWM周期越短，CPU load的負擔就越重。CPU load不能設置為100%，必須留出一定的餘量，否則程序就有可能出現某一部分無法執行的情況，產生未知錯誤。
如果遇到低電感電機，同時又必須采用單電阻采樣算法FOC執行時間長的情況，該怎麼辦呢？這時可以采用提高載波頻率，每2個PWM周期算一次FOC程序的方法，這樣即可以保證電機諧波電流不大，也有足夠的算力來完成一次完整的FOC計算。
- 電流環帶寬
載頻越高，能夠實現電流環的控制帶寬越高；載頻越低，能夠實現電流環的控制帶寬越低。
5. 電磁噪音
現在電機產品對噪音的要求越來越高，都希望能做到低噪音同時高馬力輸出，但這兩者有時就是矛盾的。噪音中有一部分來源於電磁噪音，大多數人人耳可以聽到的聲音頻率范圍是2KHz—20KHz, 而通常所選的載波頻率就在這個范圍。所以，有時為瞭降低噪音，就需要提高載波頻率到20KHz以上，以減小電磁噪音對電機整體噪音的影響。
6. 溫升
溫升也是電機控制器很難處理的一部分內容，其中以功率模塊發熱器件最為明顯。功率模塊運行過程中損耗包括開關損耗和導通損耗，損耗越大，則發熱量越大；而開關損耗就與載波頻率密切相關。載波頻率越小，開關損耗就越小，發熱量就越小；載波頻率越大，開關損耗就越大，發熱量就越大。
總結：
這六大因素描述下來，有沒有發現載波頻率的選擇就像受到制約的一個正六邊形，照顧瞭這個角的因素，但另一個對面的角就無法照顧到瞭。其實要考慮的因素，還有很多很多，我們這裡隻是挑出主要矛盾罷瞭。
其實，產品的設計又何嘗不是這樣呢，根本沒有什麼所謂“完美”的產品，隻有一個綜合瞭人力資源、成本、技術能力、進度、需求、外觀等各方面因素後，相互妥協後才能推出的一個“平衡”的產品。
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