SPWM調(diào)制方法對比分析

摘要：對比分析了三種正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制方法，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用，給出了一些數(shù)學(xué)模型，并對基于載波相移的SPWM（CPS－SPWM）技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的分析。

關(guān)鍵詞：正弦波脈寬調(diào)制；載波相移；載波相移正弦脈寬調(diào)制

1 引言

近年來，正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（簡稱為SPWM技術(shù)）以其優(yōu)良的傳輸特性成為電力電子裝置中調(diào)制技術(shù)的基本方式^[5]。SPWM法就是以正弦波作為基準(zhǔn)波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由交點(diǎn)來確定逆變器的開關(guān)模式。這樣產(chǎn)生的脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小。同時，根據(jù)調(diào)制波波形的不同，還可以派生出許多方法，但著眼點(diǎn)都在于如何使變頻器的輸出電壓更好地獲得三相對稱的正弦波。本文對比分析了SPWM的三種控制方法，建立了各自的數(shù)學(xué)模型，并給出了一些仿真結(jié)果。

2 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)^[1][2][3]

2.1 采樣法SPWM

SPWM法的實(shí)現(xiàn)方式有多種，可以由模擬或數(shù)字電路等硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可以由微處理器運(yùn)用軟硬件結(jié)合的辦法來實(shí)現(xiàn)。用軟件來實(shí)現(xiàn)SPWM法，實(shí)現(xiàn)起來簡便，精度高，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛采用，此時所采用的采樣型SPWM法，分為自然采樣法和規(guī)則采樣法。其中規(guī)則采樣法又有對稱規(guī)則采樣法與不對稱規(guī)則采樣法兩種。

2.1.1 自然采樣法

圖1所示的就是自然采樣法。它是將基準(zhǔn)正弦波與一個三角載波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定出逆變器開關(guān)模式的方法。圖1中，T_t為三角波的周期，U_r為三角波的幅值，正弦波為U_csinωt，T_s稱為采樣周期，T_s=T_t/2，t₁及t₂為正弦波與三角波兩個相鄰交點(diǎn)的時刻。由圖1可以得出

（1）

式中：M=U_c/U_r為正弦波幅值對三角波幅值之比，0M1，M的值越大，則輸出電壓也越高；

ω為正弦波角頻率，ω改變，則PWM脈沖列基波頻率也隨之改變。

脈 沖 寬 度 為

t_p=t_on＋t_on′=[1＋(sinωt₁＋sinωt₂)] （2）

式 （2） 中t₁及t₂不 但 與 載 波 比N=T/T_t（T為 正 弦 波 的 周 期 ） 有 關(guān) ， 而 且 是 幅 度 調(diào) 制 比M的 函 數(shù) ， 求 解t₁及t₂與M的 關(guān) 系 要 花 費(fèi) 很 多 時 間 。 由 此 可 見 ， 自 然 采 樣 法 得 到 的 數(shù) 學(xué) 模 型 并 不 適 合 于 由 微 處 理 器 實(shí) 現(xiàn) 實(shí) 時 控 制 ， 所 以 就 發(fā) 展 了 規(guī) 則 采 樣 法 。

圖1 自然采樣法

2.1.2 對稱規(guī)則采樣法

圖2所示的即為對稱規(guī)則采樣法。這種方法是由經(jīng)過采樣的正弦波（實(shí)際上是階梯波）與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。

圖2 對 稱 規(guī) 則 采 樣 法

這種方法只在三角波的頂點(diǎn)位置或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波。此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬在一個采樣周期T_s(T_s=T_t)內(nèi)的位置是對稱的，故稱為對稱規(guī)則采樣。由圖2得出

（3）

式中：t₁為采樣點(diǎn)（這里為頂點(diǎn)采樣）的時刻。

脈沖寬度為

t_pw=(1＋Msinωt₁)=(1＋Msin_ωt1) （4）

式（4）中采樣點(diǎn)時刻t₁只與載波比N有關(guān)，而與幅度調(diào)制比M無關(guān)，且t₁=kT_t，k=0，1，...，N－1。由式（3）及式（4）可知，在對稱規(guī)則采樣的情況下，只需知道一個采樣點(diǎn)t₁就可以確定出這個采樣周期內(nèi)的時間間隔t_off與脈沖寬度t_pw的值。

2.1.3 不對稱規(guī)則采樣法

如果既在三角波的頂點(diǎn)位置又在底點(diǎn)位置對正弦波進(jìn)行采樣，由采樣值形成階梯波，則此階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個三角波的周期內(nèi)的位置是不對稱的，如圖3所示。因此，這樣的采樣方法稱為不對稱規(guī)則采樣法。在這里，采樣周期Ts是三角波周期的1/2，即T_s=T_t/2。由圖3可知

（5）

圖3 不 對 稱 規(guī) 則 采 樣 法