课程设计SPWM波生成方法

SPWM波生成方法探讨。

SPWM波生成方法探讨

1 PWM控制技术

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。调制：将一个波形（调制参考波）信号的有关信息加到另一个波形上（载波）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

2 SPWM控制技术

SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案。

1）等面积法

该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲

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序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。

2）硬件调制法

硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。

3）软件生成法

由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

a 自然采样法

自然采样法是一种基于面积等效的能量转化形式，其基本原理如下：当正弦调制波与等幅的三角载波在时间轴上相交时，令正弦调制波的零点与三角载波的顶点同相位，所得交点为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值，交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲。

按照SPWM控制的基本思想，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不相同。另外当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地计算出正弦波和三角波的交点。

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t

图1 自然采样法生成SPWM波形

Ts Tt2。Ts称为采样周期，图中Tt为三角波的周期，正弦波为Ucsin t，Ur为三角波的高，由图可知：

toff ton ton toff

''

Ts2Ts2Ts2Ts2

toff a

ton a

利用三角形相似关系，解出a，b。并带入左式得：

'ton b

'

b toff

Ts2Ts

(1 Msin t1)

(1 Msin t1)

2

Ts (1 Msin t2)

2

Ts (1 Msin t2) 2

其中，M Ucr为正弦波幅值对三角波幅值之比，称为调幅比，0 M 1。M值越大，

为正弦波角频率， 改变，则输出电压也越高。则PWM脉冲列基波频率也随之改变。t1、

t2为正弦波与三角波两个相邻交点的时刻。脉冲宽度为

tp ton t

'

on

Tt2

[1

M2

(sin t1 sin t2)]

这是一个超越函数，其中t1、t2不但与载波比N Tt（T为正弦波的周期）有关，而且是调幅比M的函数，求解t1、t2与M的关系要花费很多时间。

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b 规则采样法

规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近于自然采样法，但计算量却比自然采样法小的多。规则采样法中采用三角波作为载波。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波中点（即负峰点）重合。规则采样法却使两者重合，即使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点对称，这样就使计算大为简化。图2是此方法的示意图。

图2 规则采样法产生SPWM波形

在图2的三角波负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直接和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的导通或关断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度 和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。

从图2中可得到以下关系式：

1 asin rtD

2Tc/2

/2

由此可得

Tc2

1 asin rtD

12

在三角波一个周期内，脉冲两边的间隙宽度 '

Tc

Tc4

1 asin rtD 。

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对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相SPWM波形。通常三相的三角波载波是公用的，三相正弦调制波依次相差120 相位。设在同一个三角波周期内三相的脉冲宽度分别为 U， V， W，间隙宽度分别为 U'， U'， W'，由于在同一时刻，三相正弦调制波电压之和为零，故可得：

U V W

3234Tc Tc

U V W

'''

由上述两式可简化生成三相SPWM波形时的计算。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中. 4）低次谐波消去法

低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u t ansinn t，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an 0，就可以建立三个方程，联立求解得a1，a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。

该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。

5）梯形波与三角波比较法

前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6%。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法—梯形波与三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。

由于当梯形波幅值 …… 此处隐藏：4276字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……