正弦波脈沖寬度調(diào)制

1、正弦波脈沖寬度調(diào)制一、SPWM介紹SPWM（Sinusoide Pulse Width Modulation）即正弦波脈沖寬度調(diào)制，它是脈沖寬度按正弦函數(shù)變化的PWM調(diào)試。那么，如何實(shí)現(xiàn)SPWM及其波形的發(fā)生呢？1964年，德國學(xué)者首次將通訊系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動的變頻器控制中，誕生了SPWM技術(shù)。此后隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，又提出了規(guī)則采樣數(shù)字化SPWM方案和能提高直流電壓利用率的準(zhǔn)優(yōu)化SPWM方案，使SPWM技術(shù)日趨成熟，但其基本的調(diào)制規(guī)則并沒有改變。二、調(diào)制方式（1）基于載波的對稱調(diào)制和非對稱調(diào)制隨著SPWM技術(shù)發(fā)展，已研制出多種特性各異的SPWM控制方案，但大多數(shù)SPWM控制方案

2、仍采用基于通訊調(diào)制技術(shù)的PWM基本調(diào)制規(guī)則。這種基本調(diào)制規(guī)則是以正玄波參考波為調(diào)制波，并以N倍調(diào)制波頻率的具有分段線性特性的三角波或者鋸齒波為載波，將載波與調(diào)制波相交，就得到一組幅值相等，而寬度正比于正弦調(diào)制波函數(shù)的方波脈沖序列。利用這一方波脈沖序列，并通過相應(yīng)的驅(qū)動邏輯單元驅(qū)動功率開關(guān)管便可以實(shí)現(xiàn)SPWM控制。 載波比與調(diào)制深度（重要概念），載波頻率為令調(diào)制波頻率為載波比，載波幅值為令調(diào)制波幅值為調(diào)制度左圖為三角波調(diào)制，右圖為鋸齒波調(diào)制采用三角載波的SPWM脈沖序列由于三角載波的對稱性，因而屬于對稱載波調(diào)制。采用鋸齒載波的SPWM脈沖序列由于鋸齒載波的非對稱性，因而屬于非對稱載波調(diào)制。相比之

3、下，鋸齒載波的SPWM實(shí)現(xiàn)較為簡單，由于鋸齒載波固有的非對稱特性，因而輸出波形中含有偶次諧波。而在相同的開關(guān)頻率以及調(diào)制波條件下，三角載波的SPWM其輸出波形的諧波含量相對較低。以下均以三角載波的SPWM進(jìn)行介紹。二、異步調(diào)制對于任意的調(diào)制波頻率 ，載波頻率 恒定的脈寬調(diào)制成為異步調(diào)制。對于任意的調(diào)制波頻率 ，載波頻率 恒定的脈寬調(diào)制成為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，由于載波頻率 保持一定，因而當(dāng)調(diào)制波頻率變化時，調(diào)制波信號不能保持同步，即載波比N與調(diào)制頻率 成反比。在異步調(diào)制方式中，由于 保持一定，因而當(dāng) 變化時，調(diào)制波信號與載波信號不能保持同步，即載波比N與調(diào)制波頻率 成反比，因此，異步調(diào)制

4、具有以下特點(diǎn):由于載波頻率 固定，因而逆變器具有固定的開關(guān)頻率。當(dāng)調(diào)制波頻率 變化時，載波比N與調(diào)制波頻率 成反比。例如，當(dāng)調(diào)制波頻率 變高時，載波比N變小，即一個周期的脈沖數(shù)變少。當(dāng)調(diào)制頻率 固定時，一個調(diào)制波正負(fù)半個周期中的脈沖數(shù)不固定，起始和終止脈沖的相位角也不固定。換言之，一個調(diào)制波正負(fù)半個周期以及每個半個周期中前后1/4周期的脈沖波形不具有對稱性。不同調(diào)制波頻率時的異步調(diào)制SPWM波形由于異步調(diào)制時的開關(guān)頻率固定，所以對于需要設(shè)置輸出濾波器的正弦波逆變器（如UPS逆變電源）而言，輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)較為容易。由于一個調(diào)制波周期中脈沖波形的不對稱性，將導(dǎo)致基波相位的跳動。對于三相正

5、弦波逆變器，這種基波相位的跳動會使三相輸出不對稱。當(dāng) 較低時，由于一個調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)較多，脈沖波形的不對稱性所造成的基波相位跳動的相角相對較?。欢?dāng) 較高時，由于一個調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)較少，脈沖波形的不對稱性所造成的基波相位跳動的相角相對變大。三、同步調(diào)制對于任意的調(diào)制波頻率 ，載波比N保持恒定的脈寬調(diào)制成為同步調(diào)制。在同步調(diào)制方式中，由于載波比N保持恒定，因而當(dāng) 變化時，調(diào)制波信號與載波信號應(yīng)保持同步，即 與 成正比，因此，同步調(diào)制具有以下特點(diǎn)：由于載波頻率 與調(diào)制波頻率 成正比，因而當(dāng)調(diào)制波頻率 變化時，載波頻率 也相應(yīng)變化，這就使逆變器開關(guān)頻率不固定。例如，當(dāng)調(diào)制波頻率 變高時，

6、載波頻率 同步提高，從而使開關(guān)頻率變高。由于載波比N保持一定，當(dāng)調(diào)制波頻率 變化時，一個調(diào)制波周期中的脈沖數(shù)將固定不變。當(dāng)載波比N為奇數(shù)時，一個調(diào)制波正負(fù)半個周期以及半個周期中的前后1/4周期的脈沖波形具有對稱性。不同調(diào)制波頻率 時的同步調(diào)制SPWM波形如下圖所示當(dāng)載波比N為奇數(shù)時，由于SPWM波形的對稱性，無論fr高低，都不會導(dǎo)致基波相位的跳動。由于同步調(diào)制時的開關(guān)頻率隨 的變化而變化，所以對于需要設(shè)置輸出濾波器的正弦波逆變器（如UPS逆變電源）而言，輸出濾波器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)較為困難。當(dāng) 變高時， 變高，從而使開關(guān)頻率變高，輸出諧波減??；當(dāng) 變低時， 變低，從而使開關(guān)頻率變低，輸出諧波增大。

7、因此采用同步調(diào)制時，SPWM的高頻性能好，而低頻性能較差。為了克服這一不足，同步調(diào)制時，應(yīng)盡量提高SPWM的載波比N，但較高的載波比設(shè)計(jì)會使調(diào)制波頻率變大時逆變器的開關(guān)頻率增加，從而導(dǎo)致開關(guān)損耗增加。四、SPWM脈沖信號的生成所謂的SPWM脈沖信號的生成是指：通過模擬或數(shù)字電路對載波信號和調(diào)制波信號（如正弦波信號）進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^運(yùn)算處理，從而生成與調(diào)制波信號相對應(yīng)的脈寬調(diào)制信號，以此驅(qū)動正弦波逆變器的功率開關(guān)。SPWM脈沖信號的生成主要包括模擬生成法和數(shù)字生成法。（1）模擬生成法模擬比較法模擬比較法就是將載波信號（如三角波）和調(diào)制波信號（正弦波信號）通過模擬比較器進(jìn)行比較運(yùn)算，從而輸出SPWM

8、脈沖信號，其電路原理圖如右圖所示。（2）數(shù)字生成法1自然采樣法自然采樣法就是通過聯(lián)立三角載波信號和正弦調(diào)制波信號的函數(shù)方式，并求解三角載波信號和正弦調(diào)制波信號交點(diǎn)的時間值，從而求出相應(yīng)的脈寬和脈沖時間，以生成SPWM脈沖信號。自然采樣法實(shí)際上就是模擬比較法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)其原理如右圖所示圖4-32 SPWM脈沖信號自然采樣法生成原理 圖4-32 SPWM脈沖信號自然采樣法生成原理 若令三角載波幅值 1，調(diào)制度為M，正弦調(diào)制波角頻率為 ，則正弦調(diào)制波的瞬時值為由右圖可知，并根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系可得自然采樣法SPWM脈寬t2的表達(dá)式為此公式不需要求解，只需參考就可顯然上式是個超越方程，運(yùn)算求解較為困

9、難?？梢?，自然采樣法不便應(yīng)用于基于微處理器的數(shù)字SPWM控制系統(tǒng)中。為此，必須對自然采樣法進(jìn)行簡化。（3）數(shù)字生成法2規(guī)則采樣法將自然采樣法中的正弦調(diào)制波以階梯調(diào)制波進(jìn)行擬合后一種簡化的SPWM脈沖信號發(fā)生方法，其原理如圖所示圖4-33 SPWM脈沖信號規(guī)則采樣法生成原理 每個載波周期中，原正弦調(diào)制波與三角載波周期中心線的交點(diǎn)就是階梯波水平線段的中點(diǎn)。這樣三角載波與階梯波水平線段的交點(diǎn)A、B兩點(diǎn)就分別落在正弦波的上下兩邊，從而減小了階梯波調(diào)制的誤差。另外，由于A、B兩點(diǎn)對于三角載波周期中心線對稱，因而使SPWM脈沖信號發(fā)生得以簡化。圖4-33 SPWM脈沖信號規(guī)則采樣法生成原理 由于 、 M均

10、為已知量，因此，規(guī)則采樣法SPWM脈寬 的計(jì)算較為簡單，適合基于微處理器的數(shù)字SPWM控制。并根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法SPWM脈寬 以及脈沖間隙時間 、 的表達(dá)式分別為看到這里，其實(shí)我有一種感覺，自然采樣法的文字很好理解，但是公式很蛋疼；而規(guī)則采樣法，文字不好理解，但是公式似乎很容易看懂哦，哎，差不多明白一下原理就好了。除了上述的幾種方法外，常見的方法還有“特定諧波消除法”和“跟蹤型兩態(tài)調(diào)制法?！钡翘珡?fù)雜了，我就不介紹了，我自己也不想再看下去了，差不多懂了原理算了至于以后要用，在此基礎(chǔ)上再好好看也行。五、單相電壓型正弦波逆變器的PWM控制單相電壓型正弦波逆變器原理電路圖如下

11、所示，對于單相電壓型正弦波逆變器，可以采用三種SPWM控制方案，即單極性SPWM控制、雙極性SPWM控制以及倍頻單極性SPWM控制。單相電壓型正弦波逆變器原理圖（一）單極性SPWM控制所謂單極性SPWM控制是指輸出脈沖具有單極性特征。即當(dāng)輸入正半周時，輸出脈沖全為正極性脈沖；當(dāng)輸入負(fù)半周時，輸出脈沖全為負(fù)極性脈沖。為此，必須采用使三角波形極性與正弦調(diào)制波極性相同的所謂單極性三角載波調(diào)制，如下圖所示（左圖：調(diào)制波形，右圖：生成電路）注意觀察三角波和正弦波可知，在正弦波的正半周期，三角波也為正，負(fù)半周期亦如此控制過程如下：根據(jù)單相電壓型正弦波逆變電路橋臂控制功能不同，可將其分為周期控制橋臂以及調(diào)制

12、橋臂。周期橋臂調(diào)制橋臂若將圖中的VT3(VD3)、VT4(VD4)作為周期控制橋臂，那么，VT1(VD1)、VT2(VD2)作為調(diào)制橋臂。單極性SPWM控制時的開關(guān)管驅(qū)動信號生成原理電路圖如右下圖所示，其中比較器A用于驅(qū)動調(diào)制橋臂，比較器B用于驅(qū)動周期控制橋臂。周期橋臂調(diào)制橋臂在正弦調(diào)制波的正半周，由于三角載波的極性為正，則比較器B的輸出極性為正，因此VT4導(dǎo)通，而VT3關(guān)斷。（比較器B的同相輸入端兩路信號均為正，反相輸入端接地，所以恒輸出正信號。）同時比較器A根據(jù)調(diào)制波與載波的調(diào)制而輸出SPWM信號當(dāng)VT1導(dǎo)通有效而VT2關(guān)斷有效時，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。此時，電路通過VT1和VT4導(dǎo)通。

13、顯然正弦調(diào)制波正版周時，逆變器輸出正極性的SPWM電壓脈沖。負(fù)半周期同理可以推導(dǎo)。（二）雙極性的SPWM控制單極性SPWM控制由于采用了單極性三角載波調(diào)制，從而使控制信號發(fā)生變得較為復(fù)雜，因此很少采用。雙極性SPWM控制是指輸出脈沖具有雙極性特征，即無論正負(fù)半周期，輸出脈沖全為正負(fù)極性跳變的雙極性脈沖。采用基于三角載波調(diào)制的雙極性SPWM控制時，只需要采用正負(fù)對稱的雙極性三角載波即可，雙極性控制時的調(diào)制及逆變器的輸出波形如下圖所示可對比單極性的三角載波和輸出脈沖，看有什么不同。當(dāng)正弦波調(diào)制信號瞬時值大于三角波信號瞬時值時，比較器輸出極性為正，VT1、VT4導(dǎo)通有效，而VT2、VT3關(guān)斷有效。此

14、時逆變器輸出正極性的SPWM電壓脈沖。同理，當(dāng)正弦波調(diào)制信號瞬時值小于三角載波信號瞬時值時，比較器輸出極性為負(fù)。與單極性SPWM相比，雙極性SPWM采用了正負(fù)對稱的三角載波，從而簡化了SPWM控制信號發(fā)生。（三）倍頻單極性SPWM控制倍頻單極性SPWM控制是指，逆變器輸出脈沖的調(diào)制頻率是載波頻率的兩倍，并且輸出脈沖具有單極性特征。倍頻單極性SPWM控制有調(diào)制波反相和載波反相兩種PWM控制模式，具體如下。（1）調(diào)制波反相的倍頻單極性SPWM功率管驅(qū)動信號生成原理電路與雙極性SPWM控制時的功率管驅(qū)動信號生成原理電路類似。兩者在調(diào)制波的設(shè)計(jì)上有所不同，即：逆變器兩相橋臂的調(diào)制信號則采用了幅值相等且

15、相位互差180的調(diào)制波信號。其實(shí)上個圖我看得不是太懂，這個圖是我自己畫的，我猜應(yīng)該是這樣子的（1）載波反相的倍頻單極性SPWM采用載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式時的開關(guān)管卻東信號生成原理電路與單極性SPWM控制時的開關(guān)管驅(qū)動信號生成原理圖類似。兩者載波的設(shè)計(jì)不同，即：單極性SPWM控制時的逆變器兩相橋臂的載波采用了單極性載波信號；而載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式時的逆變器兩相橋臂的載波信號采用了幅值相等且相位差為180的對稱雙極性載波信號。由以上分析可知，無論采用調(diào)制波反相還是載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式，逆變器的輸出均為單極性SPWM波形，而且逆變器輸出脈沖的頻率均為載波頻率的兩倍。這表明，如果載波頻率域單極性SP