SPWM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用

SPWM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用
1、 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)的理論基礎(chǔ)
采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：形狀不同但面積相等的窄脈沖
加之于線性環(huán)節(jié)時(shí)，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(fù)載上的情況，當(dāng)負(fù)載時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于激勵(lì)脈沖持續(xù)
時(shí)間時(shí)，響應(yīng) i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。由于響應(yīng)持續(xù)時(shí)
間較長(zhǎng)的下降段體現(xiàn)了低頻成份，持續(xù)時(shí)間短的上升段體現(xiàn)了響應(yīng)的
高頻分量，因此各個(gè)響應(yīng)按傅里葉分析在低頻段基本一致，差別存在
于高頻段。當(dāng)激勵(lì)脈沖越窄（或負(fù)載慣性常數(shù)與脈沖持續(xù)時(shí)間相差越
大），則響應(yīng)的高頻段所占比例愈小，整個(gè)響應(yīng)愈相近。

線性系統(tǒng)周期性窄脈沖群的響應(yīng)可以等效為各個(gè)窄脈沖相應(yīng)的疊
加，這樣某一以時(shí)間為自變量的激勵(lì)函數(shù)加在慣性環(huán)節(jié)上的響應(yīng)可以
被等效為按時(shí)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(yīng)。
利用等面積序列脈沖等效正弦半波相應(yīng)時(shí)間段的面積就形成了
一系列脈寬隨正弦波瞬時(shí)值變動(dòng)的脈沖序列－－即SPWM波，如圖所
示。開關(guān)功率變換器輸出為脈沖函數(shù)，利用高頻SPWM波施加于負(fù)
載，并配置低通濾波環(huán)節(jié)就能夠產(chǎn)生需要的低頻正弦響應(yīng)－－即
SPWM 調(diào)制技術(shù)的基本原理與方法。
2、自然采樣法－－產(chǎn)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(diào)制波）比較，產(chǎn)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(shí)其值不同，與三角波相交所得脈沖寬度也不同；
當(dāng)正弦波頻率變化和幅值變化時(shí)，各個(gè)脈沖寬度也相應(yīng)發(fā)生變化。
利用模擬電路可以方便的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，將正弦波與三角波施加于比較器的兩個(gè)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(shí)由于計(jì)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(diào)制波，周期為Ts
當(dāng) us> uc 時(shí)，輸出＋Uo
當(dāng) us uc 時(shí)，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(jìn)－－適合數(shù)字控制）
規(guī)則采樣法的原理
以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值為整個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅
值，這樣調(diào)制波與與載波比較得到SPWM信號(hào)的方法稱為規(guī)則采樣法。
規(guī)則采樣法的特點(diǎn)
（1）相當(dāng)于以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值為基準(zhǔn)的階梯波代替正
弦調(diào)制波來(lái)產(chǎn)生SPWM波；
（2）在數(shù)字控制系統(tǒng)中，SPWM信號(hào)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，各個(gè)脈沖起始與
終止時(shí)刻需要實(shí)時(shí)計(jì)算或查表，采用這種方法計(jì)算工作量大為減
小，因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)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(diào)制波，周期為Ts
以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值
為整個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅值us(t0)
當(dāng) us> uc 時(shí)，輸出＋Uo
當(dāng) us uc 時(shí)，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(yīng)用）
（1）引入一個(gè)固定頻率、固定幅值的三角波uc－－三角載波。
（2）引入一個(gè)與輸出頻率相同、幅值不超過(guò)三角波的正弦波us－－
調(diào)制波。
（3）將調(diào)制波與三角載波進(jìn)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(lái)控制橋式逆變器的兩組開關(guān)。
（4）控制方法：
Us> Uc 時(shí)，VT1、VT3導(dǎo)通，VT2、VT4關(guān)斷，輸出電壓+Ud
Us Uc 時(shí)，VT2、VT4導(dǎo)通，VT1、VT3關(guān)斷，輸出電壓-Ud
（5）輸出波形調(diào)頻、調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)
雙極性SPWM波的特點(diǎn)：輸出基波頻率與調(diào)制波相同，輸出基
波電壓與幅度調(diào)制比相關(guān)，輸出諧波頻率為調(diào)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(diào)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(diào)制比不超過(guò)1時(shí)，雙極性SPWM的輸出電壓基波幅值與
幅度調(diào)制比成正比
直流電壓利用率：
（7）雙極性控制的特點(diǎn)
直流電壓利用率低，解決的方法是采用過(guò)調(diào)制或注入諧波調(diào)制；
開關(guān)頻率提高是改善輸出諧波特性根本辦法，但也帶來(lái)相應(yīng)的損耗；
橋臂互補(bǔ)工作的可靠性問題要求加入“死區(qū)時(shí)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(gè)固定頻率、固定幅值的三角波uc－三角載波。
（2）引入一個(gè)與輸出頻率相同、幅值不超過(guò)三角波的正弦波us －調(diào)制
波。
（3）將調(diào)制波us與三角載波uc進(jìn)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(lái)控制橋式逆變器的VT1、VT4，將調(diào)
制波-us與三角載波uc進(jìn)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(lái)控制橋式逆變器的VT2、VT3，根據(jù)頻譜
分析結(jié)果，輸出波形中除與調(diào)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(guān)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(shí)，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷，輸出電壓+Ud
us uc 時(shí)，VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，輸出電壓-Ud
-us> uc 時(shí)，VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷，輸出電壓+Ud
-us uc 時(shí)，VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，輸出電壓-Ud

例、t1--t2 時(shí)間段：
us uc ，VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷
-us uc， VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷
因此， VT3、 VT4導(dǎo)通，輸出電壓uAB=0V
t3--t4 時(shí)間段：
us > uc ，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷
-us uc， VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷
因此， VT1、 VT3導(dǎo)通，輸出電壓uAB= Ud
t5--t6 時(shí)間段：
us > uc ，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷
-us> uc， VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷
因此， VT1、 VT2導(dǎo)通，輸出電壓uAB= 0
t7—t8 時(shí)間段：
-us > uc ，VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷
us uc ， VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷
因此， VT2、 VT4導(dǎo)通，輸出電壓uAB= -Ud