專(zhuān)家解析：SPWM工作原理透徹分析

1.1 SPWM工作原理

對(duì)于電壓型逆變器來(lái)說(shuō)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)給定的參考量發(fā)出PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。三種調(diào)制方式中，方波控制存在占空比不可調(diào)，調(diào)壓范圍不夠?qū)?，保護(hù)功能不夠完善，噪聲比較大等缺點(diǎn)，應(yīng)用較少；SVPWM調(diào)制主要用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速；SPWM (Sinusoidal PWM)法是一種使用較廣泛的PWM法，本文就以其為調(diào)制方法，進(jìn)行逆變器的分析和研究。

1.1.1 SPWM控制的基本原理

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。即當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。上述原理可以稱(chēng)之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

把圖2-1a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線(xiàn)，而是曲線(xiàn)，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到圖2-1b所示的脈沖序列,這就是PWM波形?？梢钥闯龈髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦波規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱(chēng)SPWM（Sinusoidal PWM）波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。2.1.2 PWM 波的生成方法。SPWM波的控制分為計(jì)算法和調(diào)制法。計(jì)算法是給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、

幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，SPWM波形中各脈沖的寬度和時(shí)間間隔可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算的結(jié)果控制逆變電路中各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷，以便得到所需要的PWM波。調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線(xiàn)性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。在實(shí)際應(yīng)用中可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。

由于計(jì)算法較繁瑣，計(jì)算量大，較少使用。而模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面介紹幾種常用的用軟件生成SPWM波形的算法，并分析它們的特點(diǎn) 。

1 自然采樣法

在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，稱(chēng)為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度不同?？芍@種算法計(jì)算量比較大，需花費(fèi)較多的時(shí)間，因而難以在微處理器中實(shí)現(xiàn)。