SPWM技術(shù)分析

摘要：本文主要是從脈寬調(diào)制（即PWM）技術(shù)入手，從而進一步分析正弦脈寬（SPWM）技術(shù)。

關(guān)鍵詞:PWMSPWM波SPWM波的產(chǎn)生方法單極性SPWM波雙極性SPWM波

1 概述

脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）就是利用控制半導(dǎo)體開關(guān)元件（例如二極管、三極管和場效應(yīng)管等）的通斷時間比，即通過調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來實現(xiàn)控制輸出電壓的一種技術(shù)。本文將重點介紹PWM的原理，并著重介紹正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal- PWM)的原理以及SPWM波形的實現(xiàn)方法。日常生活中PWM技術(shù)常用于電壓型逆變器，因為它可消除或減小低次諧波，減小濾波器體積，有利于產(chǎn)品的小型化和低成本，所以被廣泛使用。而SPWM方式的逆變器因諧波分量更小，應(yīng)用則更加廣泛。

2 SPWM的原理

2.1 PWM的原理

脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖2所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。

2.2 SPWM的原理

所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。如圖2所示：我們把一個正弦半波分成N（N=6）等份，然后把正弦半波看成是由N（N=6）個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果我們把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到如圖（b）所示的脈沖序列，這就是SPWM波形。

3 SPWM波形實現(xiàn)方法

3.1 SPWM波形實現(xiàn)方法

3.1.1 等面積法

等面積法方案直接闡述解釋了SPWM法的原理，先將正弦波用數(shù)量相等的同幅度不同寬度的矩形脈沖序列代替，再將脈沖之間的間隔與寬度計算出來，將結(jié)果儲存在計算機，根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成PWM信號，以此來控制開關(guān)的開合，實現(xiàn)最終目的。這種方法的優(yōu)點是對于各開關(guān)開合的時刻計算的非常準(zhǔn)確，因為它的出發(fā)點是基于SPWM的基本原理，最終得到的波形與正弦波也比較接近。缺點是由于大量的數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的繁瑣的計算過程，在實時控制問題上存在弊端。

3.1.2 硬件調(diào)制法

此方法的提出是由于等面積法的缺點計算過程繁瑣，通過硬件調(diào)制法來解決這個問題。它的原理是：首先以預(yù)想的波形當(dāng)做調(diào)制信號，其次它的載波就是接受調(diào)制的信號，最后使調(diào)制載波產(chǎn)生預(yù)期的PWM波形。一般載波是采用等腰三角形的，最后需要的SPWM波形就是當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波的時候。它實現(xiàn)起來比較容易，將三角形載波以及正弦調(diào)制波產(chǎn)生電路來構(gòu)成模擬電路，它們的交點可以用比較器來確定，對開關(guān)器件的通斷控制就是在其交點時刻，這樣就會形成SPWM波。但對其不容易實現(xiàn)精確控制，主要是由于此種模擬電路結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。

3.1.3 軟件生成法

因微機技術(shù)發(fā)展比較快，因此很容易用軟件生成SPWM波，從而這種軟件生成法就隨之誕生了。其實軟件生成法就是利用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，它有兩種基本算法，也就是自然采樣法以及規(guī)則采樣法。

①自然采樣法

自然采樣法其實就是在兩個波形的自然交點時刻，來對控制開關(guān)器件的通斷進行控制，這種方法的優(yōu)點很明顯，就是所得到的SPWM波是最接近正弦波的。它主要是把等腰三角形作為載波，然后進行比較。但事實上這種控制是很難實現(xiàn)的，主要是由于三角形與正弦波的交點不是固定的，它有一定的任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)是不等距的，造成脈寬表達式是一個超越方程，不容易計算，很繁瑣。

②規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣法實現(xiàn)對階梯波和正弦波的交點時刻的開關(guān)控制器的控制，它的原理是用三角波對正弦波進行采樣，先得到階梯波，然后再對階梯波和正弦波的交點時刻的開關(guān)控制器的控制，其載波是三角波，這個方法在實際工程中比較實用，應(yīng)用比較廣泛。

3.1.4 低次諧波消去法

低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為uωt=ansinnωt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得a1，a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。

此種方法僅管能夠很好地消除所指定的低次諧波，但是余下的不能消去的較低次諧波的幅值可能會有很大一部分，更重要的是同樣存在著計算復(fù)雜這一不足。

3.1.5 梯形波與三角波比較法

這種方法是對梯形波和三角波的交點時刻來對開關(guān)器件的通斷進行控制，來實現(xiàn)PWM控制，在這種方法里，三角波是作為載波的，調(diào)制信號是梯形波。

由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次，7次等低次諧波。

3.2 SPWM波形實現(xiàn)方法舉例

我們在用模擬電路產(chǎn)生等幅不等寬脈沖的方法中，通常采用所需的正弦波（稱為調(diào)制波）與三角波（稱為載波）相交的辦法來確定各分段矩形脈沖的寬度。之所以我們要采用等腰三角波，是因為等腰三角波的上下寬度與高度成線性關(guān)系，并且左右對稱，當(dāng)它與一個光滑的曲線相交時，即可得到一組脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。SPWM波形如圖3所示：用正弦波和等腰三角波相交點得到一組等幅矩形脈沖，其寬度按正弦規(guī)律變化。

其中當(dāng)正弦值最大時，脈沖的寬度也是最大值，但是脈沖間的間隔卻是最小的，相反，當(dāng)正弦值相對較小時，脈沖的寬度也就變小，脈沖間的間隔便會增大。

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