第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法
电机控制实验二：正弦脉宽调制(SPWM)变频调速系统
课程名称：电机控制指导老师：成绩：实验名称：正弦脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1.加深理解自然采样法生成SPWM波的机理和过程2.熟悉SPWM变频调速系统中直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路之间的连接3.了解SPWM变频器运行参数和特性二、实验内容和原理1.实验内容（1）用SPWM变频器驱动三相异步电动机实现调速运行（2）改变调制方式，观察变频器调制波形、不同负载时的电动机端部电压、线电流波形（3）改变V/f曲线，观察版聘妻在不同低频补偿条件下的低速运行情况（4）改变变频调速系统的加速时间，观察系统的加减速过程2.实验原理SPWM变频调速系统主要由不控整流桥、电容滤波、直流环节电流采样（串采样电阻）、MOSFET逆变桥、MOSFET驱动电路、8031单片微机数字控制情况、控制键盘与运行显示等环节组成。
实验系统的组成如下图所示：本实验系统的性能指标如下：（1）运行频率f1可在1~60Hz的范围内连续可调（2）调制方式①同步调制：调制比F=3~123可变，步增量为3；②异步调制：载波频率f0=0.5~8kHZ可变，步增量为0.5kHZ;③混合调制：系统自动确定各运行频率下的调制比。
控制方式和运行显示控制图如下：SPWM变频器控制键盘与运行显示面板图（3）V/f曲线有4条V/f曲线可供选择，以满足不同的低频电压补偿要求，曲线如下图所示：曲线1：f1=1~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线2：f1=1~5Hz, U1=21.5Vf1=6~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线3：f1=1~8Hz, U1=34.5Vf1=9~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线4：f1=1~10Hz, U1=43Vf1=11~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V（4）加速时间可在1~60s区间设定电机从静止加速到额定速度所需要的时间，10s以下步增量为1s，10s到60s步增量为5s。
正弦脉宽调制(SPWM)控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18 ylw527+关注献花(4)为了使变压变频器输出交流电压得波形近似为正弦波，使电动机得输出转矩平稳，从而获得优秀得工作性能，现代通用变压变频器中得逆变器都就是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制得，只有在全控器件尚未能及得特大容量时才采用晶闸管变频器。
应用最早而且作为pwm控制基础得就是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。
图3-1与正弦波等效得等宽不等幅矩形脉冲波序列3、1正弦脉宽调制原理一个连续函数就是可以用无限多个离散函数逼近或替代得，因而可以设想用多个不同幅值得矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。
图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅得波形(假设分出得波形数目n=12)，如果每一个矩形波得面积都与相应时间段内正弦波得面积相等，则这一系列矩形波得合成面积就等于正弦波得面积，也即有等效得作用。
为了提高等效得精度，矩形波得个数越多越好，显然，矩形波得数目受到开关器件允许开关频率得限制。
在通用变频器采用得交-直-交变频装置中，前级整流器就是不可控得，给逆变器供电得就是直流电源，其幅值恒定。
从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅得矩形波用一系列等幅不等宽得矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波得面积都相等，也应该能实现与正弦波等效得功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。
例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分得正弦曲线与横轴所包围得面积都用一个与此面积相等得矩形脉冲来代替，矩形脉冲得幅值不变，各脉冲得中点与正弦波每一等分得中点相重合，这样就形成spwm波形。
同样，正弦波得负半周也可用相同得方法与一系列负脉冲波等效。
这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效得spwm 波形称作单极式spwm。
正弦脉宽调制SPWM及其控制方法
$number {01}
目 录
• SPWM简介 • SPWM原理 • SPWM控制策略 • SPWM实现方法 • SPWM性能分析 • SPWM发展趋势与展望
01
SPWM简介
SPWM的基本概念
脉宽调制（PWM）
通过调节脉冲宽度来控制输出电压或电流的幅度，以实现对模拟信号的数字化 处理。
06
SPWM发展趋势与展望
SPWM在新能源领域的应用
要点一
太阳能逆变器
要点二
风力发电系统
利用SPWM技术实现太阳能电池板的高效逆变，提高能源 转换效率。
通过SPWM控制技术，优化风力发电机的并网性能和输出 功率稳定性。
SPWM在智能电网中的应用
智能配电网
智能微电网
利用SPWM技术实现分布式能源与电网的 协调优化控制，提高电网的可靠性和稳定性。
规则采样法
总结词
规则采样法是一种简单有效的PWM控制方法，通过在每个采 样周期内规则地选择开关状态来实现正弦波的逼近。
详细描述
规则采样法根据正弦波的幅值和相位信息，在每个采样周期 内按照一定的规则选择开关状态（开或关），从而控制输出 电压的幅度和频率。这种方法实现简单，但精度相对较低。
优化PWM（OPWM）
05
SPWM性能分析
谐波分析
谐波含量
SPWM产生的脉冲信号中包含多种谐 波成分，这些谐波成分会对电网造成 污染，影响其他设备的正常工作。
谐波抑制
通过优化SPWM的控制参数，可以降 低谐波含量，提高输出信号的纯净度。
效率分析
转换效率
SPWM的转换效率取决于调制波的占空比和载波比，通过合理设置这些参数，可以提 高转换效率。
基于DSP的SPWM控制法
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1．2．1 正弦波脉宽调制SPWM逆变器结构典型的交流-直流－交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3：变压变频器主电路结构图图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压；该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC（Power Factor Correct）得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂；上桥臂上端接直流母线电压正端（DC+），下桥臂下端接直流母线参考端（DC-）；对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式：上桥臂导通时，下桥臂截止；下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载：三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载（电机），为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM（Sinusoidally PWM）技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即：功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化；对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
实验二 正弦脉宽调制(SPWM)变频调速实验
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
4、实验内容
＊ 运行频率f1=5Hz，比较研究 ① 载波频率f0=500Hz、1000Hz、2000Hz下，电机低 速运行的噪声、振动、转速平稳程度， ② 描述不同V/f曲线下的起动能力 ③ 记录f0=2000Hz时线电压/线电流波形
SPWM变频调速实验
5、实验注意
（1）操作注意 ＊ 观测电机电压、电流时注意探头公共地线接法 以U相为例
探头1
U V W
示波器探头地线
M
探头2
采样电阻
＊ 波形采集 使用示波器采集，自带拍照工具。
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
5、实验注意
（1）实验报告注意 ＊ 对实验波形，对照PWM调制理论进行分析，特别 是记录的波形 ＊ 对观察、描述的实验内容作详尽的描述、分析， 得出和符理论的结论，特别报告： ① 不同调制比对运行性能的影响 ② 低速运行平稳性与调制比关系
（2）驱动电路 脉冲变换→光电隔离→施加在MOSFET栅极
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
（3）过流保护 Idc
——主电路4-5间接采样电阻，检测其上电压 ——过流后发出“OC”信号 ● 封锁驱动电路脉冲 ● MP保护电路工作，显示“OC”，并停机 解除停机，按复位键。
1. 加深理解自然采样法形成双极性SPWM的机理； 2. 熟悉SPWM变频器功率主电路、控制电路的结构和连接 关系； 3. 了解SPWM调制三种控制方式、控制参数及输出波形。
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
正弦脉宽调制（SPWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18ylw527+关注献花(4)为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从⽽获得优秀的⼯作性能，现代通⽤变压变频器中的逆变器都是由全控型电⼒电⼦开关器件构成，采⽤脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特⼤容量时才采⽤晶闸管变频器。
应⽤最早⽽且作为pwm控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。
图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列3.1 正弦脉宽调制原理⼀个连续函数是可以⽤⽆限多个离散函数逼近或替代的，因⽽可以设想⽤多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所⽰。
图中，在⼀个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数⽬n=12)，如果每⼀个矩形波的⾯积都与相应时间段内正弦波的⾯积相等，则这⼀系列矩形波的合成⾯积就等于正弦波的⾯积，也即有等效的作⽤。
为了提⾼等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数⽬受到开关器件允许开关频率的限制。
在通⽤变频器采⽤的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。
从这点出发，设想把上述⼀系列等宽不等幅的矩形波⽤⼀系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的⾯积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。
例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每⼀等分的正弦曲线与横轴所包围的⾯积都⽤⼀个与此⾯积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每⼀等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。
同样，正弦波的负半周也可⽤相同的⽅法与⼀系列负脉冲波等效。
这种正弦波正、负半周分别⽤正、负脉冲等效的spwm波形称作单极式spwm。
正弦脉宽调制的控制方法
正弦脉宽调制的控制方法以正弦脉宽调制的控制方法为标题，写一篇文章。
正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一种常用的调制技术，用于控制电力电子器件的输出波形。
在电力电子领域中，SPWM被广泛应用于交流调速系统、逆变器、电力变换器等设备中。
本文将介绍SPWM的工作原理、控制方法及其应用。
SPWM的工作原理是通过调节脉冲宽度的方式来控制输出电压的幅值。
当输入信号为正弦波时，通过比较器将正弦波信号与一个三角波进行比较，根据比较结果来确定输出脉冲的宽度。
当正弦波信号的幅值大于三角波信号时，输出脉冲宽度增大；当正弦波信号的幅值小于三角波信号时，输出脉冲宽度减小。
通过这种方式，可以实现对输出电压的精确控制。
SPWM的控制方法主要包括三角波发生器、比较器和滤波器。
三角波发生器产生一个稳定的三角波信号，作为参考波形；比较器将输入的正弦波信号与三角波信号进行比较，产生脉冲宽度调制信号；滤波器用于去除脉冲信号中的高频成分，得到平滑的输出波形。
在SPWM的控制中，三角波的频率和幅值是两个关键参数。
频率的选择要根据被控制设备的要求来确定，一般选择合适的频率可以减小谐波干扰。
而幅值的选择则取决于输出电压的需求，通过调节幅值可以实现输出电压的精确控制。
SPWM技术在电力电子领域具有广泛的应用。
在交流调速系统中，SPWM可以实现对电机的精确控制，提高系统的效率和稳定性。
在逆变器中，SPWM可以将直流电转换为交流电，用于驱动电机等设备。
在电力变换器中，SPWM可以将电能从一种形式转换为另一种形式，实现能量的传递和分配。
总结一下，正弦脉宽调制是一种常用的控制方法，通过调节脉冲宽度来控制输出电压的幅值。
SPWM的控制方法包括三角波发生器、比较器和滤波器。
它在交流调速系统、逆变器和电力变换器等设备中有着广泛的应用。
通过合理选择三角波的频率和幅值，可以实现对输出电压的精确控制，提高系统的效率和稳定性。
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1(2(1 正弦波脉宽调制SPWM逆变器结构典型的交流-直流,交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3: 变压变频器主电路结构图图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压;该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC(Power Factor Correct)得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂;上桥臂上端接直流母线电压正端(DC+)，下桥臂下端接直流母线参考端(DC-);对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式:上桥臂导通时，下桥臂截止;下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载:三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载(电机)，为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM(Sinusoidally PWM)技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即:功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化;对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM 信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
脉冲宽度调制(PWM)和正弦波脉宽调制(SPWM)变频技术简介
变频技术之PWM调制技术与SPWM调制技术详解变频技术通过改变电力信号的频率来调节电动机、压缩机和其他电气设备的运行速度。
在实际应用中，变频器是变频技术的核心装置，而脉冲宽度调制（PWM）技术和正弦波脉宽调制（SPWM）技术是实现变频器控制的重要手段。
什么是PWM调制技术PWM调制技术通过控制脉冲信号的宽度，实现对输出电压的调节。
在变频技术中，PWM被广泛应用于变频器中，以控制电动机的速度和转矩输出。
通过改变脉冲信号的占空比（脉冲宽度与周期之比），可以实现对电动机的精确控制。
当需要增大输出电压时，增加脉冲信号的宽度；当需要减小输出电压时，减小脉冲信号的宽度。
这种方式使得电动机可以在不同负载条件下保持稳定的转速和扭矩输出。
同时，PWM调制技术还具有响应快、控制精度高、效率高等优点，被广泛应用于各种电力控制系统中。
PWM调制波形如图1所示：图1PWM调制波形PWM技术具有以下优点：高效性：由于PWM技术可以通过调整脉冲宽度来控制电机的输出电压和频率，因此可以实现电机在不同负载条件下的高效运行。
通过减小电机额定电压，PWM技术可以降低电机的功耗，提高整体效率。
精确控制：PWM技术具有响应速度快、控制精度高的特点。
通过微调脉冲宽度和周期，可以实现对电机转速和扭矩的精确调节，满足不同应用的需求。
减少机械冲击：PWM技术可以实现电机的软启动和软停止，减少了机械系统的冲击和磨损，延长了设备的使用寿命。
尽管PWM技术具有许多优点，但也存在一些局限性：谐波问题：PWM技术在产生脉冲信号时会引入谐波成分，可能对电力网络和其他设备造成干扰。
为了减少谐波，需要采取滤波和抑制措施，增加了系统的复杂性和成本。
开关损耗：PWM技术使用高频开关装置，开关的频繁操作会产生开关损耗。
这些损耗会转化为热能，需要适当的散热系统来冷却电路。
EMI干扰：由于高频开关操作，PWM技术可能会产生电磁干扰（EMI），对周围的电子设备和无线通信系统造成干扰。
正弦脉冲宽度调制
正弦脉冲宽度调制
正弦脉冲宽度调制（SPWM）是一种模拟控制方式，主要应用于逆变器等电力电子设备中，可以产生方波、正弦波等交流波形。
正弦波振荡器产生的波形非常接近于正弦波或余弦波，且振荡频率比较稳定。
波形必须是完整的正弦波形，不能包含不连续的锯齿波形或者不规则的波形。
SPWM是指将一个频率比正弦波频率高的矩形脉冲的宽度按照正弦波的幅值进行调制，脉冲的高电平宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定。
按照SPWM控制的基本原理，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，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同。
另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。
要准确生成SPWM波形，就应准确地算出正弦波和三角波的交点。
SPWM控制方法的优点是控制电路简单、脉冲易于生成、所有脉冲宽度均等且与正弦函数值成比例、生成的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。
正弦波脉冲宽度调制
二、异步调制
对于任意的调制波频率 f r ，载波频率 f c 恒定的脉宽调 制成为异步调制。
在异步调制方式中，由于载波频率 f c 保持一定，因而当调制波频率 变化时，调制波信号不能保持同步，即载波比N与调制频率 f r 成反 比。
在异步调制方式中，由于 f c 保持一定，因而当 f r 变化时，调制波 信号与载波信号不能保持同步，即载波比N与调制波频率 f r 成反比， 因此，异步调制具有以下特点:
t1
t2 T c
t3
1 (Tc t2 ) 2
t
由于 t e 、 t c M均为已知量，因此，规则采样法 SPWM脉宽 t 2 的计算较为简单，适合基于微处理器 的数字SPWM控制。
图4-33 SPWM脉冲信号规则采 样法生成原理
看到这里，其实我有一种感觉，自然采样法的文字很好理 解，但是公式很蛋疼；而规则采样法，文字不好理解，但 是公式似乎很容易看懂哦，哎，差不多明白一下原理就好 了。 除了上述的几种方法外，常见的方法还有“特定谐波消除法” 和“跟踪型两态调制法。”但是太复杂了，我就不介绍了， 我自己也不想再看下去了，差不多懂了原理算了至于以后要 用，在此基础上再好好看也行。
r r
不同调制波频率 时的异步调制 SPWM波形
o
ωt
o
ωt
u
u
p
p
o
ωt
a)
o
ωt
b)
由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需要设置输出滤波 器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的 优化设计较为容易。 由于一个调制波周期中脉冲波形的不对称性，将导致基波相位的 跳动。对于三相正弦波逆变器，这种基波相位的跳动会使三相输出 不对称。 当 f r 较低时，由于一个调制波周期中的脉冲数较多，脉冲波形 的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对较小；而当 f r 较高 时，由于一个调制波周期中的脉冲数较少，脉冲波形的不对称性所 造成的基波相位跳动的相角相对变大。
正弦脉宽调制(SPWM)控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18 ylw527 + 关注献花 (4)为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。
应用最早而且作为pwm 控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称 spwm)。
图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列3.1正弦脉宽调制原理一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1 所示。
图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12)，如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。
为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。
在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。
从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。
例如，把正弦半波分作n 等分(在图 3-2 中，n=9)，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成spwm 波形。
同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。
这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的spwm 波形称作单极式 spwm。
脉冲宽度调制(PWM)技术原理
一、PWM技术原理由于全控型电力半导体器件的出现，不仅使得逆变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称PwM技术。
PwM技术可以极其有效地进行谐波抑制，在频率、效率各方面有着明显的优点使逆变电路的技术性能与可靠性得到了明显的提高。
采用PwM方式构成的逆变器，其输人为固定不变的直流电压，可以通过PwM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。
由于这种逆变器只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，因而体积小、质量轻、可靠性高。
又因为集凋压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态响应好。
此外，采用PwM技术不仅能提供较好的逆变器输出电压和电流波形，而且提高了逆变器对交流电网的功率因数。
把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲，每个脉冲的宽度为每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比γ为此时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频也变压的效果。
二、正弦波脉宽调制(sPwM）1．sPwM的概念工程实际中应用最多的是正弦PwM法(简称sPwM)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅(Vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。
各矩形脉冲的宽度自可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。
度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。
若使脉冲宽度与正弦函数值成比例，则也可生成sPwM波形。
在工程应用中感兴趣的是基波，假定矩形脉冲的幅值Vd恒定，半周期内的脉冲数N也不变，通过理论分析可知，其基波的幅值V1m脉宽δi有线性关系在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。
正弦脉宽调制SPWM波的DSP控制算法
开始 关所有中断 系统初始化 清所有中断标志 EVA模块初始化 开全局中断 启动定时器
等待中断
图4 主程序流程图
SPWM中断服务入口
读取事件管理器中断向量
N
定时器1下溢中 断
3、采用汇编和C语言混合编程，运用TMS320LF2407A型 DSP的评估板模块与ICETEK-5100USB，对生成SPWM的 程序在PC机上进展调试，得到了正确的波形。
4、本文设计合理、可行，到达了预期的设计目标。
致谢
在四年的本科生学习期间，我得 到了许多教师的悉心指导和热心的帮 助，在此向我的指导教师以及电子科 学学院的全体教师致以崇高的敬意和 深深的感谢！
2 3
uC
sin k N
4 3
A
t t t on
B
t t t on
A
on1
B
on1
A
on B
2
on 2
t t t C on
C
on1
C on 2
三、 DSP控制算法实现SPWM波
1、生成PWM波硬件电路构造
COMCONA[11~13]
同步/异步波 形发生器
COMCONA[9]
比较 匹配
GPT1 标志
二、SPWM调制技术原理
1、SPWM调制技术原理
SPWM(正弦脉宽调制波)是将正弦波变成宽度 渐变的脉冲波，其中的脉冲波的宽度变化规律完 全符合正弦的变化规律。正弦脉宽调制方法也叫 三角波调制法，产生原理是采用一组等腰三角形 波信号〔载波〕与正弦波信号〔调制波〕通过比 较器进展比较，其交点时刻作为开关管的导通和 关闭时刻，当调制波〔正弦波〕大于载波〔三角 波〕时，逆变桥的开关管导通；反之，那么关断， 逆变器就产生一组等幅不等宽的脉冲序列〔如图1 所示〕。
正弦波脉冲宽度调制
较为纯净的正弦波信号。
滤波器通常由电阻、电容和电感等元件组成，通过适 当的电路设计，使得滤波器对高频成分具有较大的阻
抗，而对低频成分具有较小的阻抗。
滤波器的性能直接影响输出信号的质量，因此需要选 择合适的元件和电路设计，以确保输出信号的准确性
和稳定性。
负载
负载是正弦波脉冲宽度调制系统的最终输出部分，它负责将滤波器输出的 正弦波信号转换为实际需要的功率或能量。
正弦波脉冲宽度调制产生的谐波成分较少 ，对电网的污染较小。
易于实现数字化控制
高精度控制
正弦波脉冲宽度调制可以通过数字信号处理 器（DSP）等数字控制器实现，提高了系统 的可编程性和灵活性。
正弦波脉冲宽度调制能够实现高精度的输 出电压和电流控制，有利于提高系统的稳 定性和精度。
局限性
对电源要求高
正弦波脉冲宽度调制需要高质 量的输入电源，否则可能会影
智能化技术
人工智能和机器学习等智能化技术的应用，将有 助于实现正弦波脉冲宽度调制系统的自适应和自 主学习。
集成化与模块化
未来正弦波脉冲宽度调制系统将更加集成化和模 块化，方便安装和维护，同时也有助于提高系统 的可靠性和稳定性。
面临的挑战与解决方案
电压和电流谐波问题
正弦波脉冲宽度调制会产生电压和电流谐波，对电网造成污染。解决方案包括优化调制算法、采用滤波器等措施来降 低谐波影响。
滤波
去除信号中的噪声和干扰，提高信号的纯净度。
脉冲宽度的调制
脉冲宽度调制器
根据输入信号的幅度值，生成相应宽度的脉冲信号。
脉冲宽度与幅度关系
脉冲宽度与输入信号的幅度值成正比，幅度越大，脉 冲宽度越宽。
脉冲宽度调制原理
通过改变脉冲的宽度来控制输出信号的平均功率，实 现高效、灵活的功率控制。
正弦波脉宽调制(SPWM)
为使一相的PWM波正负半周镜对称，N 应取奇数；
fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波 不易滤除；
fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承 受。
•同步调制三 u 相PWM波形
O
u UN'
Ud 2
0
Ud 2
u VN'
0
u WN'
0
u rU
u c u rV
u rW t
t t t
u a)
O
t
u
b)
O
t
图6-3
PWM调制原理
按照波形面积相等的原则，每一个矩形 波的面积与相应位置的正弦波面积相等， 因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等 效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制 （Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM 波。
1.2
0.8
0.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 fr /Hz
（4）混合调制
可在低频输出时采用异步调制方式，高 频输出时切换到同步调制方式，这样把两 者的优点结合起来，和分段同步方式效果 接近。
5. PWM逆变器主电路及输出波形
Ud 2
+ VVT11 C
U
VD1 VVT3 3
（3）分段同步调制
把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内 保持N恒定，不同频段N不同；
在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率 不致过高；
在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率 不致过低；
• 分段同步调制方式
fc /kHz 201 147 99
2.4
SPWM控制算法原理
2.1 SPWM基本原理
• PWM占空比调制（DC↔DC）
T TW U in
δ = TW
T
U out
U out = δ Uin
6
2.1 SPWM基本原理
• SPWM调制思想（DC→AC）
Ud
O
ωt
-U d
如何利用宽窄不等的方波来等效正弦波就是SPWM调制的 基本思路，保证宽窄不等的方波所对应的基波与所需要等效的 正弦波的幅值、相位和频率均相等
信号波一周期内输出脉冲数固定
三相电路中公用一个三角波载波，且 O
取N为3的整数倍，使三相输出对称
uUN'
为使一相的PWM波正负半周镜对称，N
应取奇数
Ud
2O
-
Ud 2
fr很低时，fc也很低，由调制带来的
uVN'
谐波不易滤除
O
fr很高时，fc会过高，使开关器件难 uWN'
以承受
O
urU
uc urV
urW t
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 -U d
wt
12
2.1 SPWM基本原理
目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目 前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路
ω t 提问：
为何采用三角载波？18
பைடு நூலகம்
2.2 SPWM逆变及其控制方法
• 双极性调制法（单相）
u
uu
r
c
正弦波脉宽调制技术
一、正弦波脉宽调制1、正弦脉宽调制法（SPWM ）：是将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。
其中每周基波（正弦调制波）与所含调制输出的脉冲总数之比即为载波比。
2、正弦脉宽调制原理（以单相为例）：以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave ），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave ），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
矩形波的面积按正弦规率变化。
这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation ，简称SPWM ），这种序列的矩形波称作SPWM 波。
等效原理：如图1所示，把正弦分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替，正弦的正负半周均如此处理。
3、SPWM 控制方式：SPWM 控制技术有单极性控制和双极性控制两种方式。
如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得的SPWM 波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。
如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM 波也在正负之间变化，叫作双极性控制方式。
4、正弦脉宽调制的特点是脉宽调制是以逆变器的功率器件的快速而有规律的开关，形成一系列有规则的矩形方波，以和期望的控制电压等效。
其特点是基波分量大，2N-1次以下谐波得到有效的拟制，输出电流接近正弦波。
二、交流电动机动态数学模型：1、交流电机数学模型的性质：(1)、多变量，强耦合(如图2)输入变量：电压（或电流），频率输出变量: 转速、磁通（2）、有两个变量的乘积项。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1(2(1 正弦波脉宽调制SPWM
逆变器结构
典型的交流-直流,交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3: 变压变频器主电路结构图
图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压;该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC(Power Factor Correct)得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂;上桥臂上端接直流母线电压正端(DC+)，下桥臂下端接直流母线参考端(DC-);对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式:上桥臂导通时，下桥臂截止;下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载:三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜
功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载(电机)，为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM(Sinusoidally PWM)技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即:功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化;对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM 信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
SPWM也叫SWPWM(Sinusoidally Weighted PWM)。
图2-1-4 SPWM波形
图中: Udc --直溜母线电压;
Um -- 正弦波基波的峰值，一般情况下，随t2比例变化;
t1 -- PWM信号的周期，通常为一固定值; Tpwm
t2 --正弦波基波的周期。
SPWM控制法的实现
SPWM控制法实现起来相对较为简单。
先产生一个在时间与幅度上都离散的单位正弦序列，也叫正弦表，90?，180?，360?皆可，并存储在程序空间里。
这部分工作可借助于其他工具来完成，如Office Excel。
正弦表的角度分辨率由实际应用确定;对于一个完整的电周期(360?)， 1024个点能满足大部分应用的需求。
正弦波生成时，有效样本点越多，电压电流谐波越小，效果越好。
确定正弦表长度时，还需考虑的因素有:程序空间的大小，功率开关管的速度(PWM信号频率/载波频率)，PWM的有效分辨率，调速比等。
PWM信号频率，有效样本点数N之间的关系如下: 正弦波频率f，fpwm
fpwm 式(2-2-1) N,f
f 应用中，对应正弦波最高频率，如有可能，N应不小于60。
max
考虑到连续变频，正弦表长度L可由下式计算得到:
L,10*N
即:
fpwm 式(2-2-2) L,10*fmax
例2-2-1:
一给定SPWM 调速系统，载波频率为10KHz，最高运行频率为120Hz，试确定正弦表的长度。
直接代入式(2-2-2)得:
3f10*10pwm833 L,10*,10*,f120max
同时由式(2-2-1)得:
3F10*10pwm N,,,83 f120
符合要求。
取L =1024，即正弦表的长度为1024个点。
由于正弦值的范围是-1-1，实际存储的通常是正弦值经比例放大后的数据，对于DSPIC，
14可以放大16384(2)倍(最高位用于表示极性)。
产生SPWM正弦波的基本方法是用一组虚拟的三角形波与一个正弦波进行比较(斩波) 。
受制于PWM的输出方式(边沿对齐)，早期的斩波方案较多是采用锯齿形的三角形波。
随着中心对齐的PWM的输出方式的出现，现在应用较多的是利用虚拟的等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2-1-5 所示。
其相交的时刻(即交点)来作为开关管“ 开”或“ 关”
的时刻。
图2-1-5:SPWM波生成方法
图中: t1 –开关管导通;
t2 –开关管截止。
设定图2-1-5表示的是U相电压，结合图 2-1-3，t1 对应开关管Q1导通区间，t2 对应开关管Q1截止区间。
当PWM工作在中间对齐模式(又称连续增减计数模式)时，可产生图2-1-5中的虚拟等腰三角形波。
对应于每一次PWM中断，更新t1。
综前所述，对于任一给定的正弦波频率，正弦波输出大致经以下几个步骤: 步骤1:依据V/F曲线，确定调制系数m;
步骤2:依据载波频率确定相位步进值;
步骤3:每一次PWM中断，依据相位步进值，确定正弦表步进值;
步骤4:查正弦表，取正弦值，计算时间t1;
步骤5:更新PWM占空比。
以上我们讨论的是一相正弦波的生成方法。
其他两相正弦波的产生方法相同，只是相位上彼此相差120º，即所谓的三相平衡电。
有效/无效窄脉冲对输出谐波电流有较大的影响，实际应用中应注意窄脉冲的处理(通
常是消除)。
SPWM正弦波的输出特性
由于施加在电机上的信号是三相平衡的交流电:幅度相同，频率相同，相位相差120º。
在任何时刻，电流总是从两个绕组流进来，经一个绕组流出去，或者从一个绕组流进来，经两个绕组流出去。
显而易见，电机中性点N电压总为直流母线电压Udc的一半。
U相的相电压可表示为:
Udc 式(2-2-3) u,msin,tUN2
式中: 目标相电压的角频率为; ,
m为调制度(0~1);
V相的相电压为:
U2dc 式(2-2-4) v,msin(,t，,)VN23
U、V间的线电压为:
U2dc u,u,v,*m((sin,t,sin(,t，,)) UVUNVN23
不难得到:
31u,U*m*sin(,t，,)) UVdc26
在满调制(m=1)的情况下，线电压的峰-峰值为:
3u,DC UV(P,P)2
也就是说，SPWM技术的电压利用率只有 86.6 %。
这就降低了系统的效率。
实际应用中，为了提高电压利用率，SPWM技术通常辅助以三次谐波叠加法，或称为三次谐波注入法。
不管是谐波叠加还是谐波注入法，首先要遵循的一个原则是没有过调制:线电压不失真。
2 式(2-2-3)、(2-2-4)同乘以，并在相电压上引入三次谐波e(t)，
3
1令。
e(t),sin3t,6
我们得到
U1dcu,(sin,t，sin3,t) 式(2-2-5) UN63
U212dcv,(sin(,t，,)，sin3(,t，,)) VN3633
得到:
U21dcv,(sin(,t，,)，sin3,t) VN363
则
1 u,U*m*sin(t，)),,UVdc6
在满调制(m=1)的情况下，线电压的峰-峰值为:
u,UUVdc
显然，电压利用率变为100%，系统效率得到提高。
这种情况下，虽然得到了提升，并保持不失真。
但由式(2-2-5)看到，相电压由于叠
加了三次谐波，出现明显失真。
见图2-1-6。
图2-1-6:三次谐波叠加后的相电压与线电压波形 1(2(2 正弦波脉宽调制SPWM 在DSPIC上的实现。