SPWM調制技術及其應用

SPWM調制技術及其應用
1、 正弦脈寬調制（SPWM）技術的理論基礎
采樣控制理論中有一個重要結論：形狀不同但面積相等的窄脈沖
加之于線性環(huán)節(jié)時，得到的輸出效果基本相同。如圖所示，分別是矩
形、三角形、正弦半波窄脈沖和理想單位脈沖函數(shù)為波形的電壓源
u(t) 施加于R、L負載上的情況，當負載時間常數(shù)遠大于激勵脈沖持續(xù)
時間時，響應 i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。由于響應持續(xù)時
間較長的下降段體現(xiàn)了低頻成份，持續(xù)時間短的上升段體現(xiàn)了響應的
高頻分量，因此各個響應按傅里葉分析在低頻段基本一致，差別存在
于高頻段。當激勵脈沖越窄（或負載慣性常數(shù)與脈沖持續(xù)時間相差越
大），則響應的高頻段所占比例愈小，整個響應愈相近。

線性系統(tǒng)周期性窄脈沖群的響應可以等效為各個窄脈沖相應的疊
加，這樣某一以時間為自變量的激勵函數(shù)加在慣性環(huán)節(jié)上的響應可以
被等效為按時間段與之面積相等的窄脈沖序列加在同一環(huán)節(jié)上得到的
響應。
利用等面積序列脈沖等效正弦半波相應時間段的面積就形成了
一系列脈寬隨正弦波瞬時值變動的脈沖序列－－即SPWM波，如圖所
示。開關功率變換器輸出為脈沖函數(shù)，利用高頻SPWM波施加于負
載，并配置低通濾波環(huán)節(jié)就能夠產生需要的低頻正弦響應－－即
SPWM 調制技術的基本原理與方法。
2、自然采樣法－－產生SPWM波的基本方法
按照三角波（或鋸齒波、統(tǒng)稱為載波）與正弦波（調制波）比較，產生SPWM脈沖序列的方法稱為自然采樣法。
正弦波在不同相位角時其值不同，與三角波相交所得脈沖寬度也不同；
當正弦波頻率變化和幅值變化時，各個脈沖寬度也相應發(fā)生變化。
利用模擬電路可以方便的實現(xiàn)這個功能，將正弦波與三角波施加于比較器的兩個輸入，其輸出即為SPWM波，因此這種方法在模擬控制方式中比較常用，但作為數(shù)字控制時由于計算工作量大，一般不常用。
自然采樣法示意：
uc為三角載波，周期為Tc
us為正弦調制波，周期為Ts
當 us> uc 時，輸出＋Uo
當 us uc 時，輸出－Uo
一般有：Ts>> Tc
usm≤ ucm

3、規(guī)則采樣法（自然采樣法的改進－－適合數(shù)字控制）
規(guī)則采樣法的原理
以載波周期谷點時刻調制波瞬時值為整個載波周期內調制波的幅
值，這樣調制波與與載波比較得到SPWM信號的方法稱為規(guī)則采樣法。
規(guī)則采樣法的特點
（1）相當于以載波周期谷點時刻調制波瞬時值為基準的階梯波代替正
弦調制波來產生SPWM波；
（2）在數(shù)字控制系統(tǒng)中，SPWM信號由計算機產生，各個脈沖起始與
終止時刻需要實時計算或查表，采用這種方法計算工作量大為減
小，因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)中應用廣泛。
規(guī)則采樣法示意：
uc為三角載波，周期為Tc
us為正弦調制波，周期為Ts
以載波周期谷點時刻調制波瞬時值
為整個載波周期內調制波的幅值us(t0)
當 us> uc 時，輸出＋Uo
當 us uc 時，輸出－Uo

4、雙極性SPWM控制逆變的原理與分析（自然采樣法的應用）
（1）引入一個固定頻率、固定幅值的三角波uc－－三角載波。
（2）引入一個與輸出頻率相同、幅值不超過三角波的正弦波us－－
調制波。
（3）將調制波與三角載波進行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律
變化的方波－－ SPWM波，用來控制橋式逆變器的兩組開關。
（4）控制方法：
Us> Uc 時，VT1、VT3導通，VT2、VT4關斷，輸出電壓+Ud
Us Uc 時，VT2、VT4導通，VT1、VT3關斷，輸出電壓-Ud
（5）輸出波形調頻、調壓的實現(xiàn)
雙極性SPWM波的特點：輸出基波頻率與調制波相同，輸出基
波電壓與幅度調制比相關，輸出諧波頻率為調制波頻率的整數(shù)倍。
因此，固定三角載波的頻率和幅值，改變調制波的頻率和幅值就可以
改變輸出SPWM波中正弦基波的頻率和幅值。
（6）輸出基波電壓與直流電壓利用率
基波電壓幅值：
在幅度調制比不超過1時，雙極性SPWM的輸出電壓基波幅值與
幅度調制比成正比
直流電壓利用率：
（7）雙極性控制的特點
直流電壓利用率低，解決的方法是采用過調制或注入諧波調制；
開關頻率提高是改善輸出諧波特性根本辦法，但也帶來相應的損耗；
橋臂互補工作的可靠性問題要求加入“死區(qū)時間”，但降低了電路的直流電壓利用率并引入理論上沒有的低頻諧波（3、5、7。。。次諧波）等不良影響。

5、單極性SPWM控制逆變的方法（倍頻控制的SPWM方法）
（1）引入一個固定頻率、固定幅值的三角波uc－三角載波。
（2）引入一個與輸出頻率相同、幅值不超過三角波的正弦波us －調制
波。
（3）將調制波us與三角載波uc進行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律
變化的方波－SPWM波，用來控制橋式逆變器的VT1、VT4，將調
制波-us與三角載波uc進行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律變化
的方波－SPWM波，用來控制橋式逆變器的VT2、VT3，根據(jù)頻譜
分析結果，輸出波形中除與調制波相同頻率的波形幅值較大外，
其余的諧波含量主要為與三角載波頻率相關的高次諧波，最低為
三角載波頻率的2倍，由于三角載波頻率較高，比較容易濾除。
（4）控制方法：
us> uc 時，VT1導通，VT4關斷，輸出電壓+Ud
us uc 時，VT4導通，VT1關斷，輸出電壓-Ud
-us> uc 時，VT2導通，VT3關斷，輸出電壓+Ud
-us uc 時，VT3導通，VT2關斷，輸出電壓-Ud

例、t1--t2 時間段：
us uc ，VT4導通，VT1關斷
-us uc， VT3導通，VT2關斷
因此， VT3、 VT4導通，輸出電壓uAB=0V
t3--t4 時間段：
us > uc ，VT1導通，VT4關斷
-us uc， VT3導通，VT2關斷
因此， VT1、 VT3導通，輸出電壓uAB= Ud
t5--t6 時間段：
us > uc ，VT1導通，VT4關斷
-us> uc， VT2導通，VT3關斷
因此， VT1、 VT2導通，輸出電壓uAB= 0
t7—t8 時間段：
-us > uc ，VT2導通，VT3關斷
us uc ， VT4導通，VT1關斷
因此， VT2、 VT4導通，輸出電壓uAB= -Ud