正弦波脉宽调制(SPWM)

正弦波脉宽调制(SPWM)技术1.PWM调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。tOua)b)图6-3OutPWM调制原理按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。2.SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。•单相桥式PWM逆变电路信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路VT1VT2VT3VT4图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）单极性PWM控制方式（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud3.PWM控制电路模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；数字控制电路硬件电路；软件实现。•模拟电子电路•数字控制电路自然采样法——只是把同样的方法（即用三角波与正弦波相交得出逆变器开关切换点的方法）数字化，自然采样法的运算比较复杂；规则采样法——在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。规则采样法图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB''22规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近规则采样法原理正弦调制信号波式中，M称为调制度，0≤M1；r为信号波角频率。从图中可得2/22/sin1cDrTtMtMurrsin因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度)sin1(421'DrcctMTT)sin1(2DrctMT根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法——可以先离线计算出相应的脉宽δ等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。实时计算法——事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。4.PWM调制方法载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比N，即N=fc/fr根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。（1）异步调制异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的；在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。（2）同步调制同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。•同步调制三相PWM波形ucurUurVurWuuUN'uVN'Otttt000uWN'2Ud2Ud（3）分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低；•分段同步调制方式00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHzN=（4）混合调制可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。5.PWM逆变器主电路及输出波形三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形uuUN’OtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNttttOturUurVurWucUd23Ud2Ud上图为三相PWM波形，其中urU、urV、urW为U，V，W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波；uUN’、uVN’、uWN’为U，V，W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形；uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和-Ud；uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。