SPWM调制方法对比分析

SPWM调制方法对比分析

大学作者：建林，玉玲，仲

摘要：对比分析了三种正弦波脉宽调制（SPWM）控制方法，指出各自的优缺点及应用，给出了一些数学模型，并对基于载波相移的SPWM（CPS－SPWM）技术进行了较为详尽的分析。

关键词：正弦波脉宽调制；载波相移；载波相移正弦脉宽调制

1 引言

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。本文对比分析了SPWM的三种控制方法，建立了各自的数学模型，并给出了一些仿真结果。

2 正弦波脉宽调制(SPWM)[1][2][3]

2.1 采样法SPWM

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。

2.1.1 自然采样法

图1所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。图1中，T t为三角波的周期，U r为三角波的幅值，正弦波为U c sinωt，T s称为采样周期，T s=T t/2，t1及t2为正弦波与三角波两个相邻交点的时刻。由图1可以得出

（1）

式中：M=U c/U r为正弦波幅值对三角波幅值之比，0

ω为正弦波角频率，ω改变，则PWM脉冲列基波频率也随之改变。

脉冲宽度为

t

=t on＋t on′=[1＋(sinωt1＋sinωt2)] （2）

p

式（2）中t1及t2不但与载波比N=T/T t（T为正弦波的周期）有关，而且是幅度调制比M的函数，求解t1及t2与M的关系要花费很多时间。由此可见，自然采样法得到的数学模型并不适合于由微处理器实现实时控制，所以就发展了规则采样法。

图1 自然采样法

2.1.2 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或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期T s(T s=T t)的位置是对称的，故称为对称规则采样。由图2得出

（3）

式中：t1为采样点（这里为顶点采样）的时刻。

脉冲宽度为

t

=(1＋M sinωt1)=(1＋M sinωt1) （4）

pw

式（4）中采样点时刻t1只与载波比N有关，而与幅度调制比M无关，且t1=kT t，k=0，1，...，N－1。由式（3）及式（4）可知，在对称规则采样的情况下，只需知道一个采样点t

就可以确定出这个采样周期的时间间隔t off与脉冲宽度t pw的值。

1

2.1.3 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。在这里，采样周期Ts是三角波周期的1/2，即T s=T t/2。由图3可知

（5）

图3 不对称规则采样法

脉冲宽度为

t

=t on＋t on′=[1＋(sinωt1＋sinωt2)] （6）

pw

式（6）与式（2）在形式上一样，但实质上有区别。在式（6）中，t1及t2均与幅度调制比M 无关。对于图3所示的情况有

（7）

即k=0，1，2，3，…，k为偶数时是顶点采样，k为奇数时是底点采样。

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。

2.2 谐波消去法SPWM[3]

谐波消去法，是在SPWM波电压波形上设置一些槽口，通过合理安排槽口的位置和宽度，则可以达到既能控制输出电压分量，又能有选择地消除某些较低次谐波的目的。这种槽口的安排如图4所示。图中决定槽口的开关角不再用参考信号和载波信号相互比较的方法来确定，而是利用输出电压波形的数学模型通过计算求得。对于图4所示的波形，考虑对称性，谐波成分中不含直流分量及偶次谐波。其傅立叶奇数表达式可以写成

u

(t)=B n sin nωt(n=1，3，5…) (8)

Un

各次谐波的幅值为

B

=（9）

n

输出电压表达式为

u

(t)=sin nωt（10）

Un

式中：αi就是需要确定的开关角。

图 4 谐波消去法的槽口示意图

为了考查各次谐波的幅值，在此我们可以定义它们的相对值，令

A

=（11）

n