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
加之于線性環節時，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，當負載時間常數遠大于激勵脈沖持續
時間時，響應 i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。由于響應持續時
間較長的下降段體現了低頻成份，持續時間短的上升段體現了響應的
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（或負載慣性常數與脈沖持續時間相差越
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加在慣性環節上的響應可以
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節上得到的
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，利用高頻SPWM波施加于負
載，并配置低通濾波環節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生變化。
利用模擬電路可以方便的實現這個功能，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、規則采樣法（自然采樣法的改進－－適合數字控制）
規則采樣法的原理
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信號的方法稱為規則采樣法。
規則采樣法的特點
（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）在數字控制系統中，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，在數字控制系統中應用廣泛。
規則采樣法示意：
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
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律變化
的方波－SPWM波，用來控制橋式逆變器的VT2、VT3，根據頻譜
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