单极性正弦波脉宽调制概要
正弦脉宽调制
正弦脉宽调制（SPWM）控制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。
图3-2 spwm波形图3-3是spwm变压变频器主电路的原理图，图中vt1~vt6是逆变器的六个全控型功率开关器件，它们各有一个续流二极管(vd1~vd6)和它反并联接。
6单相正弦波脉宽调制(SPWM)逆变电路实验报告
实验报告课程名称：现代电力电子技术实验项目：单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路验实验时间：实验班级：总份数：指导教师：朱鹰屏自动化学院电力电子实验室二〇〇年月日广东技术师范学院实验报告学院：自动化学院专业：电气工程及其自动化班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点：电力电子实验室实验日期：指导教师签名：实验（六）项目名称：单相正弦波脉宽调制（SPWM）逆变电路实验1.实验目的和要求(1)熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成。
(2)熟悉ICL8038的功能。
(3)掌握SPWM波产生的基理。
(4)分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响。
2.实验原理采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。
实验电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。
主电路部分:AC/DC (整流) DC/AC (逆变)图4-1 主电路结构原理图如图4-1所示, 交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路（由实验挂箱DJK09提供）；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。
输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出。
本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载，在满足一定条件下,可接电阻启动式单相鼠笼式异步电动机。
(2)驱动电路:如图4-2（以其中一路为例）所示，采用IGBT管专用驱动芯片M57962L，其输入端接控制电路产生的SPWM信号，其输出可用以直接驱动IGBT管。
其特点如下：①采用快速型的光藕实现电气隔离。
②具有过流保护功能，通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流,过流时IGBT 管CE结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光藕TLP521的输出端OC1呈现高电平，经过流保护电路（见图4-3），使4013的输出Q端呈现低电平，送控制电路，起到了封锁保护作用。
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。
单极性倍频脉冲宽度调制
VA
vG1 , T1
-1 vG2 ,T2
VA
VB
vG4 ,T4
-1 vG3,T3
VB
1. 改变调制波的频率、相位，可同等改变输出基波电压的频率、相位。 2. 改变调制比，可改变输出基波电压的幅值。 3. 为什么单极性倍频SPWM比双极性SPWM优越？
谢谢！
2 ωt
载波比 N fc 6
fr
单极性倍频正弦脉冲宽度调制
VD/2 id
D1 T3
T1
D3
n
a ia Z
b
VD/2
T2
D2 T4
D4
Vab
VD
Tk Tc /
2
VD
Vrm sink
Vcm
vab1 t MVD sinrt
V1m MVD , V1 MVD 2
一个载波周期内输出两个脉冲
Dk
D4
驱动信号生成电路
vr vc
VA
vG1 , T1
-1 vG2 ,T2
VA
-1
VB
vG4 ,T4
-1 vG3,T3
VB
Tc vr vc vc
vr vc vc
2
0
ωt
vab VD 1 2 3 4 5 6
调制比 M Vrm 1
Vcm
1314 1516 1718 1920 2122 2324
0 12 34 56 78 9101112
单极性倍频正弦脉冲宽度调制
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谐波特性
注意：在不提高每个桥 臂开关频率的前提下， 将最低次谐波频率
（LOH）提高一倍，相
当于双极性SPWM两倍 开关频率的效果，所以 也称单极性倍频SPWM。
正弦波脉宽调制SPWM
三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形
上图为三相PWM波形，其中 urU 、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波， uc为双极性三角载波； uUN’ 、uVN’ 、uWN’ 为U，V，W三相输出与电源
中性点N’之间的相电压矩形波形；
uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和
根据载波和信号波是否同步及载波比的 变化情况，PWM调制方式分为异步调制和 同步调制。
（1）异步调制 异步调制——载波信号和调制信号不 同步的调制方式。
通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载 波比 N 是变化的；
在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个 数不固定，相位也不固定，正负半周期 的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的 脉冲也不对称；
为使一相的PWM波正负半周镜对称，N 应取奇数；
不易滤除；
fr 很低时，f使开关器件难以承
受。
•同步调制三 相PWM波形
u
u rU
uc
u rV
u rW
O
t
u UN'
Ud 2 Ud 2
0
t
u VN' 0 u WN' t
0
t
（3）分段同步调制
1 M sin r tD 2 /2 Tc / 2
因此可得
Tc (1 M sin r t D ) 2
三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度
Tc 1 ' Tc (1 M sin r tD ) 2 4
根据上述采样原理和计算公式，可以用 计算机实时控制产生SPWM波形，具体实 现方法有：
VT V 1 1
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。
正弦波脉宽调制技术
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。
a)b)图6-3图1 SPWM调制原理等效原理：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。
单极性Spwm课程设计
单极性Spwm课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解单极性SPWM（正弦波脉冲宽度调制）的基本概念，掌握其工作原理及数学表达方式。
2. 学生能够描述单极性SPWM在电力电子技术中的应用，如逆变器、电机调速等。
3. 学生能够通过分析单极性SPWM的波形特点，解释其对电机性能的影响。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，通过计算和实际操作，设计简单的单极性SPWM 控制电路。
2. 学生能够利用仿真软件对单极性SPWM波形进行模拟，观察并分析不同参数变化对波形及其影响。
3. 学生通过小组合作，动手搭建并测试单极性SPWM实验电路，提高实际操作能力和团队合作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习单极性SPWM技术，培养对电力电子技术的兴趣，激发探索精神和创新意识。
2. 学生在小组合作中学会尊重他人，培养良好的团队协作精神和沟通能力。
3. 学生通过了解单极性SPWM在绿色能源中的应用，增强环保意识和责任感。
课程性质：本课程为电子信息工程及相关专业高年级的专业课程，旨在帮助学生掌握电力电子技术中的关键知识点。
学生特点：高年级学生已具备一定的电子技术和数学基础，具有较强的逻辑思维能力和实际操作能力。
教学要求：结合学生特点，采用理论教学与实践操作相结合的方式，注重培养学生的动手能力和实际应用能力，使学生在掌握知识的同时，提升综合素养。
通过对课程目标的分解，使教学设计和评估更具针对性。
二、教学内容1. 单极性SPWM基本理论：- 正弦波脉冲宽度调制原理- 单极性SPWM的数学表达及推导- 单极性SPWM波形特点及其与电机性能的关系2. 单极性SPWM应用：- 逆变器、电机调速等电力电子设备中的应用- 单极性SPWM在新能源领域的应用案例3. 单极性SPWM控制电路设计：- SPWM控制电路的组成及工作原理- 参数计算与电路搭建方法- 仿真软件应用与实验操作指导4. 教学大纲：- 第一周：单极性SPWM基本概念及原理- 第二周：单极性SPWM数学表达及推导- 第三周：单极性SPWM波形特点及其应用- 第四周：单极性SPWM控制电路设计及仿真- 第五周：实验操作及小组报告5. 教材章节：- 教材第四章：电力电子技术基础- 教材第五章：正弦波脉冲宽度调制技术- 教材第六章：电力电子装置及其应用教学内容安排和进度：按照教学大纲，逐步开展理论教学和实验操作，每周安排一次课内讨论，以巩固所学知识。
正弦脉宽调制(SPWM)波的基本要素
正弦脉宽调制波的基本要素正弦脉宽调制（SPWM ）波的基本要素摘要：本文以电工学正弦理论为基础；以经典的自然采样法为依托；以电子变流技术为研究对象，全面阐述了SPWM 波的基本特征与个性，旨在为实验及测试提供规范的参照基准并回归于应用数学。
关键词：正弦波；载波比；等幅调制；频带；相位差；渐变斜角调制。
1 前言电源应用的变革确立了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）即PWM 技术的重要地位，并且赋予了电子变流技术强大的生命力，产品几乎涵盖了所有的开关电源、斩波器及电流变换器等领域。
始于1975年推广应用正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM 简称SPWM ）以来，经多年研究发展的历程，正弦逆变技术也渐趋成熟而服务于广泛的交流应用场合，涉及民用、商用、军用及科研四大板块，人们也真实的感受到系统性能的改善、能源转换效率的提高和电磁污染的减少或净化，也为应用的持续发展奠定了坚实的基础，并且越来越多的与其他科学领域相互关联、相互交叉和相互渗透，继而应用系统逐渐朝高性能、高效率、大功率、高频化和智能化的方向发展，同时随着工程发展的日益需求，对逆变系统提出了更高的要求。
2 生成SPWM 波的基理由于正弦交流量是典型的模拟量，传统发电机难以完成高频交流电流输出，而功率半导体器件于模拟状态工作时产生的动态损耗剧增，于是，用开关量取代模拟量成为必由之路，并归结为脉冲电路的运行过程，从而构成了运动控制系统中的功率变换器或电源引擎。
典型的H 桥逆变电路很容易理解（图1a ），(a)负 载(b)(c)图1对角联动的两个开关器件和与之对应的另一组对角桥臂同时实施交替的开关作业时，建立运行后，流经负载的电流即为交流电流（图1b ），考虑到功率器件关断时的滞后特性避免造成短路，通常都做成（图1c ）的波形结构。
显然开关器件输出的是方波（矩形波）交流电流。
在交流应用场合，多数负载要求输入的是正弦波电流。
单极性正弦波脉宽调制
ub1
1
ia
3
ub2
O
t
A
M
B
uAB
E
ub3
V3
VD3
2 4 VD4
O
t
V4
ub4
-E ia （重载）
12 1
O ia
（轻载） 1
2
t 1
O
4
34
t
图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形
a） 电路原理图
b） 电压电流波形
图示的H形双极式PWM控制电路由4个大功率晶体管和 四个续流二极管组成。4个大功率管分为两组V1、V4 为一组，V2和V3为一组。在基极驱动信号ub1=ub4， ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组的两个晶体管同时 导通或同时关断，两组晶体管自己交替导通和截止。
三、PWM功率转换电路
根据调制脉冲的极性可分为单极式和双 极式调制两种；
根据载波信号和基准信号的频率之间的 关系，又可分为同步式和异步式两种。
(三) H型双极式可逆PWM控制电路
H型控制电路在控制方式上分双极式、 单极式和受限单极式三种。
E
ub1,ub4
O
τ
T
t
V1
VD1
VD2
V2
ub2,ub3
二、脉宽调制电路
脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求 是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大， 也就是比较器的灵敏度要足够高。
在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、 可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系 统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有 关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理 上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换 电路的耦合问题。
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
正弦波脉冲宽度调制-讲义
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。
ur uc
u
Ucm Urm
ur uc
o
o
ct
ct
-Ucm
-Ucm
up
up
o
ct
o
ct
a)
b)
➢采用三角载波的SPWM脉冲序列由于三角载波 的对称性，因而属于对称载波调制。
➢采用锯齿载波的SPWM脉冲序列由于锯齿载波 的非对称性，因而属于非对称载波调制。
➢相比之下，锯齿载波的SPWM实现较为简单， 由于锯齿载波固有的非对称特性，因而输出波形 中含有偶次谐波。而在相同的开关频率以及调制 波条件下，三角载波的SPWM其输出波形的谐波 含量相对较低。以下均以三角载波的SPWM进行 介绍。
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，
关频率变高。
由于载波比N保持一定，当调制波频率 f r 变化时，一个调制波周 期中的脉冲数将固定不变。
当载波比N为奇数时，一个调制波正负半个周期以及半个周期 中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。
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。
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τ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T
T+τ
2T
t
uL
E UL O τ T T+ τ
2T
t
图9-10 PWM控制负载的波形图
二、脉宽调制电路
脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求 是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大， 也就是比较器的灵敏度要足够高。 在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、 可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系 统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有 关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理 上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换 电路的耦合问题。
uP
uP
uP
O uP+uk+u
0
O t uP+uk+u
0
O t uP+uk+u
0
t
O
t
O
t
O
t
ub O τ
ub
ub
τ
T
a)
t
O
T
b)
t
O
τ T c)
t
图9-9 锯齿波脉宽调制波形图
uk 1 1 T 2 u km
式中 ukm——控制信号uk的最大值。
uL E UL O
正弦波经整流输出与三角波信号up比较产生正脉冲使功 率晶体管V1,V2工作，使电源E通过V1,V4，在AB两端形 成正的电压脉冲UAB；而正弦波uc的负半波经倒相成正 半波再经整流后与三角波比较产生正脉冲使V2、V3管工 作，则在AB两端形成负的电压脉冲UBA。
单极性: 指载波信号与基准信号始终保持 同极性的关系，即正弦波处于正半周时， 载波信号在正值范围内变化，产生正的 调制脉冲列。而正弦波处于负半周时， 产生负的调制脉冲列。
ia M
VD2
V2 3 ub2 B ub4 V4
ub2,ub3 O uAB E O -E ia （重载） 1 1 2 O ia （轻载） 1 1 2 O 3 4 4 t
A ub3 V3
t
VD3
2
4 VD4
t t
图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形 a） 电路原理图 b） 电压电流波形
图示的H形双极式PWM控制电路由4个大功率晶体管和 四个续流二极管组成。4个大功率管分为两组V1、V4 为一组，V2和V3为一组。在基极驱动信号ub1=ub4， ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组的两个晶体管同时 导通或同时关断，两组晶体管自己交替导通和截止。 在[0, τ)期间，V1、V4饱和导通， V2和V3截止，E加 在电枢AB两端，uAB=+E；在[τ,T)期间，V1，V4截止 ，但V3，V3不能立即导通，电枢电流ia沿回路经VD2 ，VD3续流，uAB=-E。在t>T时ub1,ub4变正，但由于 电枢反电动势的作用，V1，V4不能立即导通，ia沿回 路经VD4，VD1续流反向电流ia降至零后，VD4，VD1 切断，V1，V4，导通。
流电路
-uc b)
a)
图9-19 单极性正弦波脉宽调制
相关电路及相应功能
该电路运用运放及二极管实现对输入的三 角波信号进行处理得到单极性的三角波， 即up。
该部分电路对正弦波信号进行半波整流， 得到uc。
该部分电路对反相后的正弦波进行整流， 得到-uc。
该电路是个比较器，通过比较up和uc,up 和-uc，产生正弦脉冲，来控制晶体管工 作。
（二）异步式调制控制
当三角载波信号频率一定时，若只改变 正弦波基准信号的频率，即让载波比N不 为常数，同样可以改变输出电压的频率， 这样正、负半周的脉冲数和相位在不同 的输出频率下，就不完全对称，把这种 控制方式称为异步式脉宽调制控制方式。
三、PWM功率转换电路
根据调制脉冲的极性可分为单极式和双 极式调制两种； 根据载波信号和基准信号的频率之间的 关系，又可分为同步式和异步式两种。
(三) H型双极式可逆PWM控制电路
H型控制电路在控制方式上分双极式、 单极式和受限单极式三种。
E
ub1,ub4
O τ T t
ub1
V1
1
VD1
四、同步式与异步式脉宽调制控制电路
定义：调制控制中，若载波信号为等腰 三角波，基准信号采用正弦波，则称为 正弦波脉宽调制，简称SPWM。
u
V1 C V3 M V2
uP
uc
-uc
E
A
B
V4
O
ωt
比较器 三角波 振荡器 uP 半波整
比较器
UAB E O -E
半波整
π
ωt
流电路
正弦波基准 信号振荡器 uc 倒相器
采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具 有以下特点：在半个周期内，两边的脉 冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲 的宽度基本上按正弦分布。它比单极性 直流脉宽调制的输出电压波形更接近于 正弦。
定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载 波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm 与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示 调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就 愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输 出电压减小。根据载波比的变化与否可 分为同步式调制控制与异步式调制控制。
单极性正弦波 脉宽调制电路
一、脉宽调制控制电路的工作原理
R2 UP RP ∞ + R1 R3 + N RL EC
u0
uk
Ub
V UL
VD
图9-8 PWM控制电路原理
运算放大器N在开环状态，可将连续电压信号变 成脉冲电压信号。二极管VD在V断开时为感性 负载RL提供释放电感储能形成续流回路。N的 反相端输入三个信号：一个是三角波调制信号 up，其频率是主电路所需的开关调制频率；另 一个是控制电压uc,其极性与大小随时间可变； 再一个是负偏置电压uo,其作用是在uc=0时通过 Rp的调节使比较器的输出电压ub为宽度相等的 正负方波，如图a所示。当控制电压uc>0时， 锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正 半波比负半波窄的调制方波，如图b所示。当 uc<0时锯齿波过零的时间后移，结果在输出端 得到正半波比负半波宽的调制方波。
（一）同步式调制控制
在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频 时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频 率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数 和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步 调制控制能保证逆变器输出波形的正、负半波 始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三 相输出波形间具有互差120°的对称关系。 但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间 的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机 产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步 式调制控制方式的主要缺点。