正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)的探討

1、正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)的探討李英俊何文靜李郝亮鄭昱【摘要】隨著我國工業(yè)化進程和電子技術(shù)的飛速開展，變頻調(diào)速系統(tǒng)逐步涉及到人們生活的方方面面。實現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵是產(chǎn)生實時可控的電源頻率輸出，也就是變頻電源。由于正弦脈寬調(diào)制SPWM的脈沖寬度占空比隨時間呈正弦規(guī)律變化、所以輸出波形經(jīng)處理后可近似成正弦波輸出。通過實時控制輸出正弦波的頻率就可以到達變頻的目的。本文首先介紹了正弦脈寬調(diào)制SPWM的產(chǎn)生原理、調(diào)制方式、限制條件以及系統(tǒng)實現(xiàn)方法，最后對其調(diào)制方式和系統(tǒng)實現(xiàn)方法進行比較并得出了結(jié)論?！娟P(guān)鍵詞】正弦脈寬調(diào)制；逆變電源；開關(guān)器件中圖分類號：TM464文獻標識碼：A文章編號：2095-24572

2、02116-0239-004DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.16.111【Abstract】WiththerapiddevelopmentofChina'sindustrializationandelectronictechnology，variablefrequencyspeedregulationsystemisgraduallyinvolvedinallaspectsofpeople'slives.Thekeytorealizevariablefrequencyregulationistoproducereal-timecontr

3、ollablepowersupplyfrequencyoutput，thatis，frequencyconversionpowersupply.BecausethedutycycleofSPWMvariessinusoidalwithtime，theoutputwaveformcanbeapproximatedtosinusoidalwaveaftertheprocessing.Thepurposeoffrequencyconversioncanbeachievedbycontrollingthefrequencyofsinusoidalwaveinrealtime.Inthispaper，t

4、heprincipleofSPWM，modulationmethod，restrictionconditionandsystemrealizationmethodareintroducedatfirst.Finally，themodulationmodeandsystemrealizationmethodarecomparedandaconclusionisdrawn.【Keywords】Sinusoidalwavepulsewidthmodulation；Frequency；Frequencyconversionpowersupply；Switchdevice0引言脈沖寬度調(diào)制PWM是指通過

5、微處理器MCU的數(shù)字信號輸出來控制模擬電路以到達預(yù)期效果的調(diào)制方式?，F(xiàn)已普遍應(yīng)用于各大領(lǐng)域，并成為電力電子技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的控制方式之一。正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM，就是在PWM的根底上使脈沖寬度占空比在時間域上依照正弦函數(shù)取值，輸出信號經(jīng)濾波處理呈正弦波的一種改進方式。正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM與脈沖寬度調(diào)制PWM和空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM相比技術(shù)理論更為成熟，在實現(xiàn)其調(diào)制方式簡單的前提下，性能更為優(yōu)越。本文以正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM為探討對象，對其產(chǎn)生原理、調(diào)制方式、限制條件以及系統(tǒng)實現(xiàn)方法進行探討，以便在不同的領(lǐng)域有相應(yīng)的選擇。1SPWM簡介SPWM是指在調(diào)制期間，變頻電源的輸出幅

6、度相等并且序列脈沖占空比根據(jù)正弦函數(shù)規(guī)律變化的一種調(diào)制方法。正弦函數(shù)取值越大，對應(yīng)的脈沖占空比也就越大，相鄰的脈沖間隔也就越小。相應(yīng)的，當正弦函數(shù)取值越小時，脈沖占空比也越小，相鄰的脈沖間隔也就越大。采用這一方法，要求等間隔區(qū)間相應(yīng)正弦函數(shù)求積分運算所得結(jié)果與調(diào)制后該區(qū)間矩形脈沖積分所得結(jié)果相同。波形等效原理如下圖1.1所示等腰三角波載波與坐標軸相交形成等間隔區(qū)間。在整個橫軸上規(guī)定：幅值上正弦波大于等腰三角波所在的時間跨度就是SPWM波對應(yīng)的調(diào)制脈沖寬度，如圖1.2所示。1.1單極性SPWM法單極性SPWM法是指在調(diào)制信號的半個周期內(nèi)，載波的幅值不變，其極性始終與調(diào)制信號的極性相同。兩個信號的

7、交點共同決定輸出波形的脈沖寬度。波形如下圖1.3所示，可以發(fā)現(xiàn)，輸出序列在半個周期內(nèi)也是單極性的。1.2雙極性法SPWM類似于單極性SPWM的原理，雙極性SPWM也由調(diào)制波和載波產(chǎn)生。兩個信號的交點共同決定輸出波形的脈沖寬度。不同的是在調(diào)制波的半個周期內(nèi)，載波的極性有正有負，對應(yīng)的SPWM波也正負交替，如圖1.4。2SPWM調(diào)制的限制條件2.1載波比載波頻率ft與參考調(diào)制波頻率fr的比率被定義為載波比Ncarrierratio。即在逆變電源電路中，SPWM輸出信號與其調(diào)制信號正弦波的逼近程度與載波頻率ft有關(guān)，理想情況是ft取值越大越好。因為調(diào)制信號ft取值越大，等間隔區(qū)間長度越小，調(diào)制脈沖的

8、數(shù)量就越大，調(diào)制脈沖寬度就越小，SPWM的基波就越接近正弦波。但是工程中，功率開關(guān)器件本身的開關(guān)能力即開關(guān)頻率是有限的，載波頻率ft受到開關(guān)頻率限制因而不可能無限取值。全控型器件常用的開關(guān)頻率如表2.1：因此N值應(yīng)受到以下條件的制約：2.2最小間歇時間與調(diào)制度為了確保電路平安工作，逆變電橋的每組開關(guān)器件不能同時導(dǎo)通。因此必須使SPWM波的最小脈寬Tmin與最大脈寬Tmax滿足以下條件：Tmin需要大于ton開關(guān)器件的導(dǎo)通時間并且Tmax小于T-toff開關(guān)器件的關(guān)斷時間。在脈寬調(diào)制時，假設(shè)N為偶數(shù)，調(diào)制信號的幅值urm與三角載波相交的兩點恰好是一個脈沖的間歇。為了保證Tmax小于T-toff，

9、必須滿足調(diào)制信號峰值urm小于載波信號的峰值utm。為此，定義urm與utm之比為調(diào)制度M，即理論上，03SPWM調(diào)制方式在產(chǎn)生SPWM時，根據(jù)載波比N是否變化，其調(diào)制方式可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制。3.1同步調(diào)制同步調(diào)制的載波比恒定，也就是說載波頻率與調(diào)制信號頻率的比值固定不變。當輸入的正弦信號頻率變化時，等腰三角波的頻率也隨之改變，維持載波比恒定不變，這樣SPWM輸出信號半波內(nèi)調(diào)制脈沖數(shù)保持不變。如果取N為3的倍數(shù)，就能夠使輸出波形在正、負半波始終保持對稱，那么在三相輸出時就能嚴格確保三相波形互差120°。但是，同步調(diào)制方式不利于低頻信號輸出。在同步調(diào)制方式中，低頻時會使諧波分量大

10、幅增加，所產(chǎn)生的噪聲嚴重干擾負載正常工作。3.2異步調(diào)制為了彌補同步調(diào)制低頻輸出諧波劇增的缺陷，我們采用異步調(diào)制的方式。所謂的異步調(diào)制是指只改變調(diào)制波的頻率，而載波的頻率固定不變。也就是說在變頻電源變頻范圍內(nèi)，載波比N不再恒定不變，相反，隨調(diào)制波頻率的變化而變化。因此，該調(diào)制方式可以提上下頻載波比，有效改善系統(tǒng)低頻性能。但是，由于載波比N隨輸出頻率的變化而變化，不能保證一直能被3整除，這樣SPWM輸出波形在幅值和相位上存在不穩(wěn)定。如假設(shè)是三相輸出，那么對稱性難以保證，同樣也會對負載正常工作造成不利影響。3.3分段同步調(diào)制為了滿足實際生產(chǎn)需要、獲取SPWM波優(yōu)良性能，我們可以設(shè)法將以上兩種調(diào)制方

11、式互為補充，揚長避短。由于同步調(diào)制在低頻時諧波分量顯著，那么我們采用異步調(diào)制方式，增大載波比，降低電機噪聲，以減少諧波；當頻率提高到某一范圍內(nèi)時，我們采用同步調(diào)制方式，使輸出波形三相對稱，提高電動機工作的穩(wěn)定性，這就是所謂的分段同步調(diào)制。更確切的說，就是將輸出頻率劃分成多段，每一段內(nèi)的載波比恒定，但段與段間載波比又不盡相同，原那么上其取值和頻率的上下成負相關(guān)。載波比的計算方式如下：假定我們所需的SPWM輸出頻率范圍是560Hz，IGBT的最大開關(guān)頻率約為5.5KHz，最小開關(guān)頻率在最大開關(guān)頻率的1/22/3之間。依據(jù)分段同步法分段如下：我們?nèi)PWM最大輸出頻率為62Hz，分兩段進行調(diào)制，第一

12、段采用同步調(diào)制，其載波比為4SPWM波系統(tǒng)實現(xiàn)方法4.1等面積法該方案是SPWM原理的直接應(yīng)用。根據(jù)SPWM理論，調(diào)制后的脈沖等幅而不等寬。等面積法是在給定頻率下預(yù)先計算脈沖寬度和脈沖間隔，然后保存數(shù)據(jù)。當需要時，通過查表法產(chǎn)生PWM信號控制開關(guān)器件導(dǎo)通或者截止，進而到達調(diào)頻的目的。這種方案以SPWM原理為出發(fā)點，精確的計算出各脈沖寬度和脈沖間隔，準確的控制各個開關(guān)器件的通斷時刻，具有輸出波形十分逼近正弦波的優(yōu)點。但是由于調(diào)制脈寬的個數(shù)異常巨大，該方式因而也具有了計算繁瑣復(fù)雜、時空開銷巨額、實時性差等缺陷。4.2硬件調(diào)制法硬件調(diào)制方法可用于解決等面積法計算繁瑣復(fù)雜、時空開銷巨額、實時性差等缺陷

13、。其原理是采用硬件電路方式用正弦波調(diào)制等腰三角波以到達預(yù)期效果。具體的方法是：設(shè)計一個產(chǎn)生正弦波調(diào)制的模擬電路設(shè)計一個產(chǎn)生三角形載波的模擬電路設(shè)計一個比較器確定兩個波形的交點時刻。在交點時刻向開關(guān)器件發(fā)出通、斷指令，到達產(chǎn)生SPWM波形的目的。然而，這種方法對模擬電路的要求很高，導(dǎo)致電路的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且很難精確的控制波形。4.3軟件生成法軟件生成法是指用軟件的方式實現(xiàn)波形調(diào)制。軟件生成法分為兩種根本算法：自然采樣法和規(guī)那么采樣法。4.3.1自然采樣法自然采樣法的思想源于精確計算。其核心思想就是計算正弦調(diào)制波與等腰三角載波的交點，進而獲取相應(yīng)調(diào)制脈沖的寬度，從而控制開關(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換通-斷或

14、者斷-通，最終實現(xiàn)開關(guān)器件SPWM的產(chǎn)生。自然采樣法的優(yōu)點是所得SPWM波形極為逼近理想正弦波，缺點計算難度大，在普通微機中實時控制差，工程中不宜采用。4.3.2規(guī)那么采樣法對自然采樣法加以近似估算，演變而來的就是規(guī)那么采樣法，該方法又分為對稱規(guī)那么采樣和非對稱規(guī)那么采樣。規(guī)那么采樣同樣以等腰三角波作為載波。在對稱規(guī)那么采樣中，只在三角波的最低點位置或者最高點位置采樣。如圖4.2所示：只在三角波最低點采樣，其時刻為ts1，計算Msints1函數(shù)值，并以此作水平直線與等腰三角載波相交于A，B兩點，再利用Msint計算對應(yīng)的ta、tb時刻，最終tb減去ta即是該調(diào)制脈沖的寬度。由于ta與tb關(guān)于抽

15、樣時刻ts1對稱，因此我們稱該方式為對稱規(guī)那么采樣。類似的，在非對稱規(guī)那么采樣中，對三角波的最低點位置和最高點位置均進行采樣。如圖4.3所示：首先在三角波最高點采樣，其時刻為ts1，計算Msints1函數(shù)值，并以此向右作水平直線與等腰三角載波相交于A點，再利用Msint計算對應(yīng)的ta時刻，然后在三角波最低點采樣，其時刻為ts2，計算Msints2函數(shù)值，同樣向右作水平直線與等腰三角載波相交于B點，再利用Msint計算對應(yīng)的tb時刻，最終tb減去ta即是該調(diào)制脈沖的寬度。由于左半調(diào)制脈沖t2=ts2-ta，右半調(diào)制脈沖t2=tb-ts2，顯然t2t2，因此我們稱該方式為非對稱規(guī)那么采樣。由以上分

16、析可知：在相同的情況下，非對稱規(guī)那么采樣的采樣頻率是對稱規(guī)那么采樣頻率的2倍，其計算量也呈倍數(shù)關(guān)系增長。但是隨著采樣頻率的提高，調(diào)制脈沖波逼近理想正弦波的程度也相應(yīng)提高，諧波分量明顯減少?？偠灾?，相對而言規(guī)那么采樣法計算量小、算法簡單，適合普通單片機實時運算。我們可以通過增加載波比N來減小采樣誤差，但其線性控制范圍有限，同時具有直流電壓利用率低的缺點。5結(jié)論正弦脈寬調(diào)制SPWM根據(jù)載波的極性可分為單極性SPWM和雙極性SPWM，與功率橋的結(jié)構(gòu)無關(guān)。單極性SPWM相比雙極性SPWM具有的輸出效率高、輸出諧波小、動態(tài)特性好的優(yōu)點，但包含直流分量。雙極性SPWM不包含直流分量，幾乎不存在電壓瞬時值

17、控制輸出波形過零點畸變。正弦脈寬調(diào)制SPWM的輸出頻率范圍是有限的，嚴格受到載波比N和調(diào)制度M的限制，而這種限制又歸根來自于逆變電橋中開關(guān)器件的選擇。因此，工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況挑選適宜的開關(guān)器件。在本文描述的三種正弦脈寬調(diào)制SPWM方法中，同步調(diào)制具有三相輸出相位嚴格對稱的對稱優(yōu)點，但在輸出為低頻的情況時，諧波增大，嚴重干擾負載正常工作。異步調(diào)制那么與同步調(diào)制相對，盡管輸出低頻時性能得到有效改善，但隨著載波比的變化，三相輸出的對稱性難以保證。分段同步調(diào)制在以上兩種調(diào)制方法的根底上揚長避短，有效解決了以上兩種調(diào)制方式的缺點，在實際工程中應(yīng)用廣泛。歸結(jié)起來SPWM的產(chǎn)生方式有以下幾種，其性能比較如下表所示。在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)以下指標選擇適宜的SPWM產(chǎn)生方式，目前規(guī)那么采樣法得到普遍采納?！緟⒖嘉墨I】【1】張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)第3版M.北京：機械工業(yè)出版社