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题目：基于规则采样法产生单极性SPWM波形的

软件设计

指导教师：

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SPWM控制技术

一、工作原理

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：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。图1中各个形状的窄脉冲在作用到逆变器中电力电子器件时，其效果是相同的，正是基于这个理论。

a)矩形脉冲 b)三角脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函

图2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图2图3分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波

形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图2所示的脉冲序列，这就是PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形，也称为SPWM 波。SPWM 调制技术

才孕育而生。

图3 单极性SPWM 控制方式波形

上图所示的波形称为单极性SPWM 波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为图3中所示的PWM 波，这种波形称为双极性SPWM 波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。

图4 双极性SPWM 控制方式波形

二、SPWM 控制技术

2.1 SPWM 包括单极性和双极性两种调制方法，

（1）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

O ω t

U

d - U

d U d -U

围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

（2）如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

2.2 单极性SPWM法

(1)调制波和载波：曲线②是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线①是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

(2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。

2.3 双极性SPWM法

(1)调制波和载波：

调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线①，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。

(2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。

图5单极性PWM控制方式

图6 双极性PWM控制方式

⏹其中：载波比——载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc /

fr

调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比，即Ma＝Ar/Ac

同步调制——N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

基本同步调制方式，fr 变化时N不变，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，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；

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。

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；

当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；

当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。

三、PWM波形的软件生成

由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。

3.1 自然采样法

自然采样法是一种基于面积等效的能量转化形式，其基本原理如下：当正弦调制波与等幅的三角载波在时间轴上相交时，令正弦调制波的零点与三角载波的顶点同相位，所得交点为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值，交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲。

按照SPWM控制的基本思想，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相同。另外当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地计算出正弦波和三角波的交点。