正弦脉宽调制SPWM及其控制方法

·并联微处理器接口，
（SA828升级），有高
波形产生数字化
级界面
·载波频率可达
·内部可编程“看门狗
24KHz
”
SA8 38
·电源频率精度12位 ·单相波形产生器，可 输出正弦波或正弦波叠
SA4 828
·具有正弦型、增强型 、高效型三种波形 ·载波频率可达24KHz
加谐波
·电源频率精度16位
·CMOS集成电路，功
2.4.1 PWM控制的基本原理
重要理论基础——面积等效原理
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。
冲量
窄脉冲的面积
效果基本相同
环节的输出响应波形基本相同
f (t)
f (t)
f (t)
f (t)
d (t)
O
tO
tO
tO
t
a)矩形脉冲
b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数
t2
t3
t2

Tc 2
(1
ma
sin wcte )
t1

t3

1 2
(Tc

t2 )

Tc 4
(1
ma
sin wcte )
t
图2-18 自然和规则采样法
返回
u a)
O u
ta
tb
Um
wt
b)
Ud
O
图6-3 t2
图：直接PWM法
wt
返回
特点：计算方法简单，物理概念清楚。 谐波比规则采样法好。
HEF4752是数字化的大规模集成电路。采用标准的28脚双 列直插封装。
芯片可提供三组互差120°互补输出SPWM控制脉冲，以供 驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输出。
可适用于晶闸管、GTO或功率GTR。对晶闸管尚可附加产 生三对互补换流脉冲，用于辅助晶闸管换流。
该芯片采用脉冲宽度的双边缘正弦调制方式，有8段载波比 （15、21、30、42、60、84、120、168）自动切换。
mitel公司生产的sa系列spwm发生器sa86无需处理器所有参数由工厂掩膜编程4位数字输入可确定16档频率速度16位电源频率精度只能输出纯正弦波一种波适用于低成本大批量的应用单相spwm输出sa82与微处理器连接处理整个spwm过程低成本高职能产生三相spwm波cmos集成电路波形产生数字化输出波形为正弦波或正弦波叠加三次谐波载波频率可达24khz电源频率精度16位sa86适用于低中大容量工作中无需微处理器sa866ye867ye参数储存在单独eeprom中而sa866ym867ym则由工厂掩膜编程sa866输出纯正弦波三次谐波或带死区的三次谐波通过10位的adc输入模拟信号实现连续调频或通过4位的数字输入确定12位的速度频率专用工作模式适用于静止逆sa866三相输出sa867单相输出sa86载波频率124khz输出正弦频率范围04khz输出三相纯正弦波三次谐波或带死区的三次谐波4位的总线确定16档速度频无需外接处理器所有参数由工厂掩膜编程16位电源频率精度适用于低成本大容量的应用三相spwm输出sa838并联微处理器接口波形产生数字化载波频率可达24khz电源频率精度12位单相波形产生器可输出正弦波或正弦波叠加谐波cmos集成电路功单相spwm输出sa4828与微处理器连接sa828升级有高级界面内部可编程看门狗具有正弦型增强型高效型三种波形载波频率可达24khz电源频率精度16位三相幅值独立控制也可应用于两相中返回218返回图
六个输出产生三相SPWM矩形脉冲，互差120°，以控制逆 变器中的六个主开关器件。
器件的开关频率和输出频率分别可达20kHz和2.6kHz，适 用于IGBT变频器。
芯片内有一个四位死区锁存器，可设置逆变桥同相上下两开 关器件转换的死区时间，以防直通事故。
还设有“禁止”信号端，当其为高电平时，将使功率开关器 件处于关断状态，可以方便的实现各种保护。
三角波 发生器
2. 计算法(数字控制)
根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断， 就可得到所需PWM波形
特点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时， 结果都要变化
1). 自然采样法
自然采样法：按SPWM基本原理，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。
ta2

Tc 2
(1
ma
sin wcte ), ta1

ta3

1 2
Tc

ta2

tb 2

Tc 2
[1
ma
sin(wcte

2
3
)], tb1

tb3

1 2
Tc
tb2

tc2

3Tc 2
ta2
tb2 , tc1

tc3

1 2
Tc tc2
其中:
ta2
tb2
则从 ta 到 tb 区间正弦波的面积为：
U m
tb ta
sin wctd (wct)

Um
wc
(cos wcta
cos wctb )
若逆变器直流环节电压为Ud，ta 到 tb 区间的脉冲宽为 t2 ，
令脉冲面积和这段正弦波面积相等。可求出：
t2 Ud
Um
wc
(cos wcta
生器产生,其频率和幅值都是可调的。三角载波信号 utri 由三
角波发生器提供，三相共用。分别与每相调制信号通过比较 器进行比较，比较器输出“正”或“零”的输出，即为 SPWM脉冲序列波，作为逆变器开关器件的驱动信号。
正弦波 发生器
uca
ucb

ucc

utri
驱动开关器件 (SPWM波)
随着微电子技术的发展，开发出一些专门用来产生SPWM 控制信号的集成电路芯片，应用这些芯片比用微机生成 SPWM信号要方便的多。目前已投入市场的专用SPWM芯 片有Mullard公司的HEF4752、Siemens公司的SLE4520、 Sanken公司的MB63H110，以及我国自行研制的ZPS101、THP-4752等。其中，THP-4752与HEF4752的功 能完全兼容。另外，现在有些单片机本身就具有直接输出 SPWM信号的功能，如8XC196MC、TMS320F240等。
·无需处理器，所有参数由 工厂掩膜编程 ·4位数字输入可确定16档 频率（速度） ·16位电源频率精度 ·只能输出纯正弦波一种波 形 ·适用于低成本、大批量的 应用 ·单相SPWM输出
SA82 8
·与微处理器连接，处理整个 SPWM过程 ·低成本、高职能、产生三相 SPWM波 ·CMOS集成电路，波形产生 数字化 ·输出波形为正弦波或正弦波 叠加三次谐波 ·载波频率可达24KHz ·电源频率精度16位
SA86 8
·载波频率（1~24KHz） ·输出正弦频率范围（0~4KHz ） ·输出三相纯正弦波、三次谐波 或带死区的三次谐波 ·4位的总线确定16档速度（频 率） ·无需外接处理器，所有参数由 工厂掩膜编程 ·16位电源频率精度 ·适用于低成本、大容量的应用 ·三相SPWM输出
·与微处理器连接
SA86 6/
SA86 7
·适用于低、中、大容量 ·工作中无需微处理器， SA866YE/ 867YE参数储存 在单独EEPROM中，而 SA866YM/ 867YM则由工厂 掩膜编程 ·SA866输出纯正弦波、三次 谐波或带死区的三次谐波 ·通过10位的ADC输入模拟信 号，实现连续调频或通过4位 的数字输入确定12位的速度（ 频率） ·专用工作模式适用于静止逆 变器 ·通过EEPROM可设置4项功 能 ·SA866三相输出，SA867单 相输出
MA818采用SPWM的规则采样法产生实际的SPWM输出脉 冲。用于与三角载波比较的调制波形由MA818从外部 2k×8的PROM/EPROM中直接读取。
MA818的三角载波频率可选，最高可达24kHz，输出调制 频率最高可达4kHz。
MITEL公司生产的SA系列SPWM发生器
SA86 9
u
SPWM波 u
O
ω> t
O
ω> t
u
O
ω> t
来代替一个正弦半波
uu
SPWM波 u
OO
ωω>>tt
O
ω> t
u
O
ω> t
若要改变等效输出正弦 波幅值，按同一比例改 变各脉冲宽度即可。
2.4.1 PWM控制的基本原理
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM 波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
该法最准确，但要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中 在线计算，工程应用不多
2. 计算法(数字控制)
2). 规则采样法
特点：
工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多
Tc
u
utri
uc
DA B
ucd
Tc
u
utri
uc
AE
uce
B
O
t
O
t
t2 / 2 t2 / 2
t2 / 2 t2 / 2
2.4 正弦脉宽调制SPWM 及其控制方法
2.4.1 PWM控制的基本原理 2.4.2 SPWM的控制（实现）方法
2.4.1 PWM控制的基本原理
PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效的获得所需要的波形（含 形状和幅值)。
·三相幅值独立控制
耗低
·也可应用于两相中
·单相SPWM输出
u
ur uc
O
wt
uo
uof
uo
Ud
O
wt
-Ud
图6 - 6
返回
自然采样法:
u
Tc utri A
B
uc ma sin wct
t2

Tc 2
[1
ma 2
(sin wctA
sin wctB )]
1
O
t
规则采样法:
t2' t2''
t1
2.4.1 PWM控制的基本原理
PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发 展使得实现PWM控制变得十分容易。
PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的 性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史 上占有十分重要的地位。
PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应 用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因 此，本章能使我们对逆变电路有完整地认识。
utri A E
B
uc
因此可得
t2

Tc 2
(1 ma
sin wctE )
O
tA tE tB
t
三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度
t2 t2
2
2
t1

t3

1 2
Tc
t2


Tc 4
(1
ma
sin wctE
)
t1
t2
t3
t
图6-12
2. 计算法(数字控制)
推广到三相桥逆变电路的情况 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120° 同一隙波三宽电角度压波分之周别和期为为内零ta1三，、相由tb1的上和脉式tc宽1得，分ta别3 为t、b3 ta2和、tct3b2 和，同tc2一，时脉刻冲三两相边调的制间
Ud
O
wt
-U d
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM 波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
Ud
O
wt
-Ud
2.4.2 SPWM控制的实现方法
实现方法
模拟实现
计算法
自然采样法 规则采样法 直接PWM法
专用SPWM集成电路
1. SPWM模拟实现
三相对称的参考正弦电压调制信号 uca 、ucb 、ucc由正弦波发
脉冲宽度t2 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近
2. 计算法(数字控制)
规则采样法计算公式推导
正弦调制信号波 uc ma sin wct 三角波的峰值为1
式中，ma称为调制度，0≤ma<1；wc为信号波角频率。
从图中得
1 ma sin wctE 2
t2 / 2
Tc / 2
Tc u
cos wctb )
t2

Um
wcU d
(cos wcta
cos wctb )
3. 专用SPWM集成电路
应用微机产生SPWM波形，其效果受到微机字长、指令功 能、运算速度、存储容量等条件的限制，有时难以有很好的 实时性，特别是在高频电力电子器件被广泛应用后，完全依 靠软件生成SPWM波形的方法实际上很难适应高开关频率 的要求。
tc2

3Tc 2
ta1

tb1

tc1

ta3

tb3

tc3

3Tc 4
2. 计算法(数字控制)
3). 直接PWM法(面积相等法)
思路:使每一载波周期内逆变器输出脉冲的面积和在同一载 波周期内希望得到的正弦波的面积相等。
假设希望输出的正弦电压为：uo U m sin wct
SPWM原理:正弦PWM的信号波为正弦波，就是正弦波等效成一系列等 幅不等宽的矩形脉冲波形，其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生 成的。正弦波波形产生的方法有很多种，但较典型的主要有:对称规则采 样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。第一种方法由于 生成的PWM脉宽偏小，所以变频器的输出电压达不到直流侧电压的倍; 第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波，显然输出电压高于前 者，但对于微处理器来说，增加了数据处理量当载波频率较高时，对微 机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的，它兼顾了前两种方法的优点。 SPWM虽然可以得到三相正弦电压，但直流侧的电压利用率较低， 最大 是直流侧电压的倍，这是此方法的最大的缺点。
MA818也是一种可编程的三相SPWM大规模集成电路，采 用双列直插或方形塑封40引脚封装，同一系列的芯片还有 MA828和MA838。
MA818具有六个标准TTL电平输出，可方便的用来驱动逆 变器中六个功率开关器件。
其工作参数，如载波频率、调制频率、调制深度、过调制选 择、最小脉冲宽度、延迟时间、相序等可由微机通过向其写 入控制字而方便的确定或修改，不需外加任何电路。
调频范围为0~200Hz，器件的开关频率一般在1kHz以下， 不适合于IGBT逆变器。
SLE4520是一种可编程的三相PWM集成电路。三相PWM 信号形成器实际上就是三个定时器或计数器。
SLE4520有三个预置减计数器通过8位数据总线接收来自微 机的地址和脉宽数据，将8位数据转化为相应宽度的矩形脉 冲，脉宽由减计数器内的数值决定。
图2-15 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
2.4.1 PWM控制的基本原理
具体的实例说明 “面积等效原理”
a）
b) 图6-2 冲量相等的各 种窄脉冲的响应波形
u (t)－电压窄脉冲， 是电路的输入 。 i (t)－输出电流，是 电路的响应。