SPWM调制算法与实现方法
SPWM算法的分析与实现
SPWM算法的分析与实现SPWM算法的基本原理是通过对比参考波形和三角波形来生成PWM信号。
参考波形是所需输出的交流电信号的波形，而三角波形是由频率为基准频率的三角波信号生成的。
通过比较两者的幅值，可以确定开关器件的导通和关断时间，从而控制输出电压的波形。
SPWM算法的核心是调制信号的生成。
调制信号是一个频率和幅值可调的信号，用于控制开关器件的导通和关断时间。
常见的调制信号有正弦波、三角波和锯齿波等。
在SPWM算法中，使用三角波作为调制信号，因为三角波信号的频率很容易调节。
1.生成三角波信号：通过计数器和查表法生成频率可调的三角波信号。
计数器的计数范围根据所需输出的频率进行设置。
2.生成参考波形：参考波形是输出交流电信号的理想波形。
可以根据所需输出的波形进行选择，常见的有正弦波、方波等。
参考波形可以通过查表法或者数学函数计算生成。
3.比较参考波形和三角波形：将参考波形和三角波形进行比较，确定开关器件的导通和关断时间。
如果参考波形的幅值大于三角波形的幅值，则开关器件导通；反之，则关断。
4.控制开关器件的导通和关断时间：根据比较结果，控制开关器件导通和关断时间的长度。
导通时间越长，输出电压的幅值越大；导通时间越短，输出电压的幅值越小。
5.输出PWM信号：根据开关器件导通和关断的时间长度，生成PWM信号。
PWM信号控制开关器件的导通和关断，进而控制输出电压的幅值和频率。
在实际的应用中，SPWM算法还需要考虑一些问题。
例如，如何解决开关器件的导通和关断的过渡问题，以及如何进行电流和电压保护等。
此外，为了提高系统的稳定性和抗干扰性，还需要添加滤波器和反馈控制等。
总结起来，SPWM算法是一种常用的电力调制技术，通过调整电压的幅值和频率来控制输出的交流电波形。
它主要通过参考波形和三角波形的比较来生成PWM信号，控制开关器件的导通和关断时间。
在实际应用中，还需要解决过渡问题和进行保护措施，以提高系统的性能和稳定性。
正弦脉宽调制SPWM及其控制方法
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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。
SPWM原理以及具体实现方法
SPWMSPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.定义我们先说说什么叫PWMPWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。
广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。
三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
该方法的实现有以下几种方案。
1.3.1等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.1.3.2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
电力电子spwm 调制
AE
ure
B
te
t
t1
t2
t3
Tc
t
图1.2.3 SPWM脉冲信号规则 采样法生成原理
AE B
te
ure 并根据相似三角形的几何关系容易得
出规则采样法SPWM脉宽 t2以及脉
t 冲间隙时间 t1 、t3 的表达式分别为
冲全为负极性脉冲。为此，必须采用使三角波形极性与正弦 调制波极性相同的所谓单极性三角载波调制，如下图所示（左
图：调制波形，右图：生成电路）
uc ur
O
π
2πt
uab ui
O
t
a)
uucr
+_A UA
-1
UG1,VT1 UG2 ,VT2
+_B UB
UG4 ,VT4
-1
UG3 ,VT3
b)
观察三角波和正弦波 可知，在正弦波的正 半周期，三角波也为 正，负半周期亦如此
如右图所示
1.1 调制方式
在SPWM逆变器中，载波频率 f c 与调制信号 频率 f c 之比 N fc / fr ,称之为载波比。根 据载波与信号波是否同步及载波比的变化 情况，SPWM逆变器调制方式分为同步调制 与异步调制
(1) 同步调制
对于任意的调制波频率 fr ，载波比N保持恒定的脉宽调制 成为同步调制。
截止，T2 导通，这时 Van -VD / 2；当 Vr > -Vc 时，使T3截止，T4导通，这 时 Vbn -VD / 2 ，当 Vr < -Vc 时，使T3导通，T4截止，这时 Vbn VD / 2 。输 出电压Vab Van Vbn ，从而 Vab 可能出现。三种情况，分别为T1、T4同时导通
SPWM调制工程实现法
对称规则采用法
三角波的负峰 正弦信号 对正弦波信号 波角频率 的采样时刻
利用底点采样：
1 a sin ωtD 2
δ/2
Tc / 2
对称规则采用法原理图
调 制 比 A 相 开 通 时 三角波载 [0,1) 刻脉冲宽度 波周期
对称规则采用法
对称规则采用法原理图
A相开通时的脉冲宽度：
δ
Tc
1
a sin 2
再后来随着具有强大运算 能 力 的 DSP 和 一 些 新 算 法 的实现，这一问题得到较 好的解决。
目录
01 对称规则采样法 02 不对称规则采样法 03 等效面积法
01 对称规则采样法
对称规则采用法
对称规则采样法由经过采样的正弦波与 三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方 法只在三角波的顶点或者底点位置对正弦波 采样而形成阶梯波。
EVA通用定时器1 的时钟周期
03 等效面积法
等效面积法
等效面积法就是根据已知数据和正弦 数值依次算出每个脉冲的宽度，通过查表 的方式实时控制。
等效面积法
等效面积法原理图
(k 1)
Sk a k n sin(t)d (t)
n
a[cos k cos (k 1) ]
n
n
Sk 2 '
2 '
δ
δ
'
Tc
2
பைடு நூலகம்
a(sin
ωtB 4
sin
ωtA
)
ωtA （ k 1/ 4)2π / N,
N 0,1, 2 N 1
ωtB （ k 3 / 4)2π / N, (2k为一个周期内采样计数值）
不对称规则采用法
DSP28335实现SPWM
PWM一、什么是PWM？PWM就是根据面积等效原理，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。
脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM。
调制系数：m=调制波幅度/载波幅度。
在保持载波幅度一定的情况下，通过改变调制波幅度，即改变调制系数，可以在直流侧电压一定的条件下，调节输出交流基波电压有效值大小。
通过改变调制波的幅度，可以实现PWM逆变电路的变压。
载波比：N=载波频率/调制波频率。
根据载频三角波和调制波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为同步调制、异步调制和分段同步调制。
二、两种常见的PWM波形：1、三点式（单极性、三电平）2、两点式（双极性、两电平）三、实现方法1、硬件调制法用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。
2、软件生成法（1）自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。
其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。
（2）规则采样法（对称）经推导，设一个正弦波周期采样N 个点，则每个采样周期内的脉冲宽度为)2sin 1(2N k a T c πδ+=，k=1，2，3，…，N-1。
若时基计数器工作在向上向下计数模式，设周期寄存器PRD 的值为M ，每个计数脉冲周期为t ，则t M T c ⨯=2，脉冲宽度为)2sin 1(N k a t M πδ+⨯⨯=。
D 点值为)2sin 1(22Nk a M t πδ+⨯=，即为比较寄存器的值。
四、控制电路采用180°导电型方波控制方式，同一相上、下两个桥臂交替通电，互补通断。
五、程序代码1、初始化系统控制2、初始化GPIO3、清除所有中断并初始化中断向量表for(i=0;i<100;i++){SV1V4[i]=(1+sin(2*3.14*i/99))*1000; //采样100个点 }interrupt void epwm1_isr(void){// 更新CMPA和CMPB比较寄存器的值j++;if(j<=99)EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA=SV1V4[j];elsej=0;//清除这个定时器的中断标志位EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT = 1;//清除PIE应答寄存器的第三位，以响应组3内的其他中断请求；PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP3;}4、初始化EPWMvoid InitEPwm1Example(){// Setup 时基时钟EPwm1Regs.TBPRD = 2000; // 设置PWM周期为2*2000个时钟周期 EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0x0000; // 相位寄存器清零EPwm1Regs.TBCTR = 0x0000; //时基计数器清零// Setup 比较寄存器EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPWM1_MIN_CMPA; // Set compare A value EPwm1Regs.CMPB = EPWM1_MAX_CMPB; // Set Compare B value// Setup 计数模式EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN; //增减计数模式EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE; //禁止相位控制EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = 7; // Clock ratio to SYSCLKOUT EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = 7;// 设置比较寄存器的阴影寄存器加载条件：时基计数到0EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWAMODE = CC_SHADOW;EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWBMODE = CC_SHADOW;EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE = CC_CTR_ZERO; // Load on ZeroEPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = CC_CTR_ZERO;// Set actionsEPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_SET; // CTR=CAU时，置高EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_CLEAR; // CTR=CAD时，置低EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBU = AQ_CLEAR; // CTR=CBU时，置低EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBD = AQ_SET; // CTR=CBD时，置高// 1次0匹配事件发生时产生一个中断请求；EPwm1Regs.ETSEL.bit.INTSEL = ET_CTR_ZERO; //选择0匹配事件中断 EPwm1Regs.ETSEL.bit.INTEN = 1; // 使能事件触发中断EPwm1Regs.ETPS.bit.INTPRD = 1; // 1次事件产生中断请求//Setup DeadbandEPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE = DB_FULL_ENABLE;//上升沿和下降沿EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL = DB_ACTV_LO;//极性选择控制EPwm1Regs.DBCTL.bit.IN_MODE = DBB_ALL;//ePWMxB是双边沿延时输入源 EPwm1Regs.DBRED = EPWM1_MIN_DB;EPwm1Regs.DBFED = EPWM1_MIN_DB;}。
SPWM变频调速的基本原理与方法
SPWM变频调速的基本原理与方法1 SPWM 逆变器的工作原理SPWM变频系统的主电路如图1-1，它工作原理是：由单片机产生的三相SPWM控制脉冲，经驱动放大电路放大后，控制主开关VT1～VT6的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相交流电压拖动异步电动机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的VVVF 控制。
1）SPWM 的控制方式SPWM有两种控制方式，可以是单极式，也可以双极式。
两种控制方式调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。
采用单极式控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。
2）逆变器输出电压与脉宽的关系在变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转。
对电机来说有用的只有基波电压，通过对SPWM 输出波形的傅立叶分析可知，输出基波电压的幅值与各项脉宽有正比的关系，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。
3）脉宽调制的制约条件将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调制度的制约。
逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。
同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。
2 SPWM 逆变器的调制定义载波的频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，即N= fc / fr 。
视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。
三角调制波与正弦控制波的交点所确定的一组开关角决定了逆变器输出波形的频谱分布。
载波比N对逆变器输出波形的频谱分布有很大的影响。
逆变器输出的谐波分量主要集中在频率调制比N及其倍频2N、3N...的周围，在中心频率附近的谐波振幅极大值随其中心频率增大而减小，其中以N处的谐波振幅为最大，根据分析，谐波的频率可以表示为在此，基频对应于h=1。
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
光伏逆变器几种常用SPWM波形生成算法与数字调制方式
前言：光伏逆变器与普通逆变器的最大区别，直流源的不同。
直流源由原来的蓄电池，或其它直流源换成了PV组件（太阳能电池）。
因PV组件特殊性，与普通逆变器不同的是，光伏逆变器多了一级MPPT（最大功率控制），其它基本相同。
光伏逆变器也可以叫太阳能逆变器，主要种类有，离网的光伏逆变器、并网的光伏逆变器、离并网的光伏逆变器并机的光伏逆变器等等，注意并网与并机逆变器是在控制上是有很大区别的。
当然无论是那一种光伏逆变器。
它的核心技术就是普通逆变器的技术。
整个逆变器控制技术它主要包含了电力电子技术、自动化控制原理、数字控制技术等等，这里数字控制技术是重点。
而SPWM波形生成算法和数字调制方式又是逆变器数字控制的核心点。
不同波形生成算法与调制算法决定了不同的电路和不同的THD（总谐波失真）比如说，单极性调制算法，肯定是用于全桥电路，不能用于半桥。
双极性的调制算法的谐波失真肯定是要高于单极性等等。
本文主要阐述了SPWM的几种常用的波形生产算法与数字调制方式●SPWM的几种常用的波形生产算法SPWM(正弦波脉宽调制)波的产生的常用算法有对称规则算法、不对称规则算法、等面积算法、SVPWM算法。
这四种算法分别有着自己不同的特点。
实验表明采用对称规则采样法产生的SPWM 波形，具有速度快、变频方便等优点。
不对称规则采样法是对称规则的优化版，相对对称规则采样法，采样误差减小，精度有所提高。
等面积法产生的SPWM 波形相对于前两种具有精度更高、输出波形谐波小，对称性好等优点。
SVPWM（电压空间矢量算法），具有直流电压利用率高的优点，在大功率三相逆变器应用较多。
由于本人对此算法还没有深入理解本文暂时省略。
（同时也请教论坛中的师傅们讲一下此算法的原理）▲对称规则采样法如图1所示。
它固定在三角波每一周期的负峰值时找到正弦波上的对应点E ，并用此电压值对三角波进行采样，确定SPWM波形中脉冲的生成时刻。
如图2所示可求得SPWM脉冲宽度t2 和间隙时间t1和t3 。
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。
SPWM原理以及具体实现方法
SPWM原理以及具体实现方法SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）是一种通过改变脉冲宽度来实现正弦波形输出的调制技术。
它是一种广泛应用于交流调速、无线电通信、音频音频处理等领域的调制技术。
本文将详细介绍SPWM的原理和具体实现方法。
一、原理SPWM的基本原理是将一个固定频率的三角波和一个可变频率的正弦波进行比较，通过改变正弦波的频率和三角波的升降沿来控制输出脉冲的宽度，从而实现输出波形的调制。
具体实现方式如下：1.生成三角波：首先需要生成一个固定频率的三角波，可以使用计数器、比较器和数字-模拟转换器等元件实现。
计数器用于产生固定频率的方波信号，比较器用于将方波信号转换为三角波信号，数字-模拟转换器用于将三角波信号转换为模拟电压信号。
2.生成正弦波：使用正弦函数生成一个可变频率的正弦波，频率根据应用需求决定。
一般使用时钟、计数器和查表法实现，通过改变时钟的计数值和查表法来调整正弦波的频率。
3.比较器：将三角波和正弦波进行比较，比较的方法可以使用电压比较器或者运算放大器进行。
根据比较结果，可以确定脉冲的宽度。
4.输出脉冲：通过改变脉冲的宽度来控制输出波形的幅值大小。
当三角波的斜率大于正弦波时，输出脉冲宽度增大；当三角波的斜率小于正弦波时，输出脉冲宽度减小。
5.滤波器：通过滤波器对输出脉冲进行处理，去除高频成分，得到带有基波的正弦波。
SPWM的具体实现方法依赖于所使用的平台和应用需求。
下面以数字信号处理平台为例，介绍SPWM的具体实现方法。
1.生成三角波：使用计数器和比较器，生成一个固定频率的三角波信号。
计数器的计数范围决定了三角波的周期，比较器将计数器的输出进行比较并产生三角波信号。
2.生成正弦波：可以通过使用FPGA或DSP等处理器实现正弦波的生成。
根据所需频率和精度，使用查表法或数学函数生成正弦波信号。
3.比较器：将三角波和正弦波进行比较，可以使用比较器模块实现比较操作。
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。
SPWM的基本原理及其应用实例
SPWM的基本原理及其应用实例1. 什么是SPWMSPWM（Sine Wave Pulse Width Modulation）即正弦波脉宽调制技术，是一种常用的电子控制技术。
在SPWM技术中，通过改变脉冲宽度来控制输出电压的大小，从而实现对电力系统的调节。
2. SPWM的基本原理SPWM技术基于一个简单的原理，即将一条直流电压通过开关器件开关，形成一串脉冲信号，通过调节脉冲的宽度和频率，可以模拟出一个接近正弦波的输出电压。
基本工作原理如下：•步骤1：通过开关器件将直流电源转换为交流电源。
•步骤2：通过比较器将一个参考正弦波信号与一个三角波信号进行比较。
•步骤3：根据比较结果，控制开关器件的导通和断开，改变脉冲的宽度和频率。
•步骤4：得到一个脉冲宽度与正弦波信号相关的输出波形，即SPWM输出。
3. SPWM的优点与应用SPWM技术具有以下优点：• 1. 输出波形接近正弦波： SPWM技术能够产生接近正弦波的输出波形，具有较低的谐波含量，适用于需要稳定高质量电源的场景。
• 2. 输出电压可调： SPWM技术可以通过改变比较器的阈值、参考信号的幅值和频率等参数，实现对输出电压的精确调节。
• 3. 调制频率高： SPWM技术的调制频率通常可以达到几百Hz甚至更高，适用于对输出电压要求高动态响应的系统。
SPWM技术在许多领域得到了广泛应用，以下是几个典型的应用实例：3.1 变频调速SPWM技术可用于电机驱动，通过调节输出电压的频率和电压大小，实现对电机的变频调速。
这在工业自动化领域中非常常见，可以节省能源和提高生产效率。
3.2 逆变器控制SPWM技术也广泛应用于逆变器中，用于将直流电源转换为交流电源。
逆变器通常用于太阳能发电、风能发电和电力调制等场景，SPWM技术可实现对逆变器输出电压波形的控制。
3.3 无线电通信在无线电通信领域，SPWM技术可以用于产生高频信号，实现调频调制（FM）。
通过改变脉冲的宽度和频率，可以实现对无线电信号的调制和解调。
SPWM波形优化算法及其DSP实现
SPWM波形优化算法及其DSP实现1.引言从逆变器诞生之日起人们就把改善输出波形，消除谐波，提高波形质量作为一项重要的研究内容,所以对SPWM波形的谐波分析有着十分重要的意义[1]。
对于实时计算的PWM 控制方法常常需要建立数学模型，较为常用的是采样型的SPWM法。
文[2]指出,在对正弦波进行调制时，采用三角波作为载波比用锯齿波产生更少的谐波分量，自然采样SPWM法就是通过正弦波与三角波的比较来决定开关点的位置，原理简单易于用模拟电路实现，但由于其开关模式不能用显式表达，难以用微机实现实时控制，因此发展了规则采样法。
本文给出了一种基于DSP的对称规则SPWM生成法——开关点预置算法，开关点预置最优SPWM控制波形的确定是以输出THD性能指标最小为优化目标，在同样开关频率的前提条件下，从所有可能的开关控制波形中唯一地筛选出来的，因此所选取的开关控制波形即为同样开关频率下所有SPWM控制波形中最优的选择，以此来控制逆变桥开关，其最终输出正弦信号也必然地具有最优性。
2.对称规则SPWM波的生成自然取样法的主要问题是SPWM波形每一个脉冲的起始和结束时刻tA和tB对于三角载波的中心线不对称，因而求解困难[3]。
工程上实用的方法要求计算简单，误差不是很大，因此对自然取样法进行一些近似处理，得出了各种规则采样方法。
规则采样法是波形发生器通过编程方法实现的几种方式之一，这种方式使PWM波产生的谐波小，在三相异步电动机变频调速系统中，通常都采用此种方法。
在三角波的一个周期内，只利用三角波的一个峰值点所对应的正弦函数值求取的脉冲以三角波的峰值点为对称，因此这种采样法称为对称规则采样法，如图1所示。
图1. 生成SPWM波的规则采样法若以单位量1代表三角载波的幅值Uc，则正弦波的幅值Um就是调制度m，m=Um/Uc,再由图1几何关系可知：式中：ωs为正弦调制信号的角频率，；Tc为载波周期；fm为调制波频率。
根据脉宽时间计算公式，如果一个周期内有N个矩形波(通常N取为3的整数倍)，载波比N=fc/fm,则第i个矩形波的占空比为：(3)可见，在已知载波周期Tc、正弦波电压Um或m以及每个特定时刻的函数值，便可以计算出第i个脉宽时间和间隙时间。
SPWM原理以及具体实现方法
SPWMSPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.定义我们先说说什么叫PWMPWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。
广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。
三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
该方法的实现有以下几种方案。
1.3.1等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.1.3.2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
SPWM调制算法与实现方法
SPWM调制算法与实现方法SPWM （Sinusoidal Pulse Width Modulation）调制理论始于1975年，近年来，正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式[5]。
SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。
这样产生的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。
同时，根据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。
1. 两种SPWM调制算法SPWM法的实现方式有多种，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现，也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。
用软件来实现SPWM法，实现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用，此时所采用的采样型SPWM法，分为自然采样法和规则采样法。
其中规则采样法又有对称规则采样法与不对称规则采样法两种。
1.1 对称规则采样法图2所示的即为对称规则采样法。
这种方法是由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。
图2 对称规则采样法这种方法只在三角波的顶点位置对正弦波采样形成阶梯波。
此阶梯波与三角T内的位置是对称的。
故称为对称规则波的交点所确定的脉宽在一个采样周期C采样。
由图2得出脉冲宽度为（双极性调制）：)t sin 1(2e ωM T t C p += 式中：e t 为采样点时刻。
由上式可知采样点时刻e t 只与载波比N 有关，与幅值调制比M 无关，且e t =n T k ，k=0,1,...,N-1。
在对称规则采样的情况下，只需知道一个采样点e t 就可以确定出这个采样周期内的时间间隔和脉冲宽度p t 的值。
1.2 不对称规则采样法如果既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位置是不对称的，如图3所示。
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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SPWM调制算法与实现方法
SPWM （Sinusoidal Pulse Width Modulation）调制理论始于1975年，近年来，正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电
子装置中调制技术的基本方式[5]。
SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波），
用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模
式。
这样产生的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。
同时，根
据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的
输出电压更好地获得三相对称的正弦波。
1. 两种SPWM调制算法
SPWM法的实现方式有多种，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现，
也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。
用软件来实现SPWM法，实
现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用，此时所采用的采样型SPWM法，
分为自然采样法和规则采样法。
其中规则采样法又有对称规则采样法与不对称规
则采样法两种。
1.1 对称规则采样法
图2所示的即为对称规则采样法。
这种方法是由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。
图2 对称规则采样法
这种方法只在三角波的顶点位置对正弦波采样形成阶梯波。
此阶梯波与三角
T内的位置是对称的。
故称为对称规则波的交点所确定的脉宽在一个采样周期
C
采样。
由图2得出脉冲宽度为：
)t sin 1(2
e ωM T t C p += 式中：e t 为采样点时刻。
由上式可知采样点时刻e t 只与载波比N 有关，与幅值调制比M 无关，且e t =n T k ，k=0,1,...,N-1。
在对称规则采样的情况下，只需知道一个采样点e t 就可以确定出这个采样周期内的时间间隔和脉冲宽度p t 的值。
1.2 不对称规则采样法
如果既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进行采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个三角波的周期内的位置是不对称的，如图3所示。
因此，这样的采样方法称为不对称规则采样法。
图3 不对称规则采样法
由图3可得脉冲宽度为：
)]t sin t sin (2
1[2t 2211p ωω++=M T C 在对称规则采样中，实际的正弦波与三角载波的交点所确定的脉宽要比生成的PWM 脉宽大，也就是说，变频器的输出电压比正弦波与三角波直接比较生成PWM 时输出的电压要低。
而非对称规则采样法在一个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值更真实地反映了实际的正弦波数值，其输出电压也比前者高。
但是由于采样次数增大了一倍，也就增大了数据的处理量，当载波频率较高时，微处理器的运算速度将成为一个限制因素。
当然对于150MHz 的可处理浮点运算的DSP28335处理器来说不对称规则采样的计算不成问题。
从调制脉冲的极性看，PWM 又可分为单极性与双极性控制模式两种。
2.1单极性PWM 模式
产生单极性PWM 模式的基本原理如图6.2所示。
首先由同极性的三角波载波信号t u 。
与调制信号r u ，比较(图6.2(a))，产生单极性的PWM 脉冲(图6.2(b))；然后将单极性的PWM 脉冲信号与图6.2(c)所示的倒相信号UI 相乘，从而得到正负半波对称的PWM 脉冲信号d u ，如图6.2(d)所示。
双极性PWM 模式
双极性PWM 控制模式采用的是正负交变的双极性三角载波t u 与调制波r u ，如图6.3所示，可通过ut 与ur ，的比较直接得到双极性的PWM 脉冲，而不需要倒相电路。
本次课程设计在完成实验后发现单极性调制的输出波形在过零时存在较大
的谐波畸变，而双极性输出波性较好，谐波少。
原因在于单极性的倒向信号不便处理，而双极性在过零时因为动态润滑的缘故过零平滑，无畸变。