SPWM波形生成算法的研究與仿真

賀為婷，程啟建

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安710032）

SPWM波形生成算法的研究與仿真

賀為婷，程啟建

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安710032）

為了使逆變電路輸出電壓的諧波成分降低、改變并提高輸出頻率 ，使逆變電路輸出電壓的波形為理想正弦波。本文用自然采樣法與對稱規則采樣法產生SPWM波形，用SPWM方法實現逆變。并且在MATLAB程序編寫和simulink建模的方法進行仿真實驗。實驗的結果是:載波的比值為3的整數倍并且為奇數時，生成的三相對 稱的SPWM波形，而且每相波形的正負兩個半波周期鏡對稱。 這就說明用SPWM方式實現逆變可有效消除諧波及諧波中的余弦項，使逆變電源的輸出波形逼近理想的正弦波。

SPWM波形；自然采樣法；對稱規則采樣法；仿真

通用逆變器供電電源是直流電源，幅值固定。用一系列等寬不等幅的矩形脈沖波即可替代，只要各個脈沖 波地面積與矩形脈沖波對應相等 ，其功能即可與正弦波等效。這樣地一系列矩形脈沖波稱為正弦脈寬調制波形（spwm）。就是將正弦半波n等分，將每等分正弦波和橫軸所圍面積均用一與此面積相等的矩形脈沖來等效 ，而矩形脈沖的幅值不變，且各脈沖中點與每一等分正弦波的中點重合，這樣就形成spwm波形。正弦波負半周也用相同樣方法與一系列相應的負脈沖波等效。

正弦脈寬調制技術（SPWM）就是產生與正弦波等效的一系列幅值相等寬度不等的矩形脈沖波。方法是在控制電路中調制在主電路中輸出。控制電路中，一個幅值為Ur、頻率為fr的參考正弦波Wsin（調制信號）加載在頻率為fc、幅值為Uc的三角波WΔ（載波）后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波形Wspwm（已調制波），用已調制波的高低邏輯電平通過分配和放大后在去驅動逆變器的主開關元件，使逆變器的輸出電壓波形和已調制波Wspwm相似的SPW M電壓波形。

1 生成SPWM波形的方法

1.1 自然采樣法

SPW M脈沖生成的基本方法是以三角 波作為載波，以正弦波作為調制波 ，按照正弦波和三角波的相互交點進行脈沖寬度和間隙時間的采樣，從而生成SPW M控制脈沖。這種采樣的規則稱為自然采樣法。自然采樣法生成SPW M脈沖的原理如圖1所示。正弦波與三角波的交點是SPW M控制脈沖的起始點和停止點。A點為脈沖發生時刻，B點為脈沖結束時刻，在三角波的一個周期 （峰-峰值之間）Tc內，tw為SPWM波的高電平時間，即脈寬時間，t1與t2為SPW M波的低電平時間，稱為間 隙時間。tw=Tc-t1-t2=tB-tA。計算正弦調制波形與三角波形的對應交點，從而求出相應的脈沖寬 度和脈沖間歇時間，生成對應的SPWM波 形。圖中Tc表示載波周期，δi表示脈沖寬 度。

1.2 平均對稱規則采樣法

規 則采樣是自 然采樣的近似，不同近似方法的有不同的計算方法。圖2所示為平均對 稱規則采 樣法。其原理是在三角波負峰值點采樣調制 信號ur得到B點，過B點做一水平線與載波信號uc分別交于A、C兩點，從而確定了脈 沖寬度tw。該方法將Tc分為三段，即圖中的時間段t1、t2和tw對應的脈沖寬度和間隙。在不同的三角載波周期內采樣值不同、時間段t1、t2和tw也不同，因而矩形脈沖寬度就不同。只要求出對應的這3個時間段，便可以得到SPWM的脈沖波形。由于三角載波的對稱性，時間t1和t2相等。所以，在一個三 角波周期內，只需實時計算兩個時間值即可，這使得計算簡化。

設三角載波的幅值為1，正弦調制信號為Ur=Msinωrt，其中調制度0=＜M＜1。從圖1可以看出，△DBC和△FED相似，故有：

其中，tw為取樣時刻SPWM脈沖的寬度，t1和t2為脈沖兩邊的間隙寬度。

圖1 自然采樣算法

2 SPWM波形的實現

2.1 基于MATLAB編程實現

設調制波的頻率fr為500赫茲，調制比M=0.9，載波比N=24，通過編程計算，得到調制波半個周期內的脈沖個數及每個脈沖的起點時刻ta、終點時刻tb及脈沖寬度tw，如表1所示。以下是對應平均對稱規則采樣法的程序，自然采樣法的程序略去。其中三角波uc的頻率為fc=fr*N，正弦調制波ur=Msinωrt。

圖2 平均對稱規則采樣法

運行程序并整理運行結果，可得半個正弦周期內的所有開關點及其脈沖寬度如表1所示。

表1 半個正弦周期內的開關點及脈沖寬度

2.2 基于simulink的仿真建模實現

基于simulink模型的SPWM波形生成原理如圖3所示。其中，正弦調制信號的參數設為:Amplitude=0.9，Frequency=pi/ 0.15，A，B，C三相的初相phase（rad）分別為：0，-pi/1.5，-pi/ 0.75。等腰三角載波的信號由 “source”庫中的“repeating sequence”模塊產生，參數設置為[0，0.01，0.02]和[1.2，-1.2，1.2]，即A=1.2，period=0.02 s。則載波比N=15，在1個正弦波周期內將會產生15個脈沖。將調制波和載波經過一些運算與比較，就可得圖4所示的SPWM觸發脈沖波形。用該觸發脈沖控制三相逆變橋開關器件的通斷，在輸出端就可以得到相應的SPWM三相波形。

圖3 SPWM波形生成原理圖

設置仿真參數為：Stop time:0.3，Start time:0.0，Solver options:ode23tb。 scope1，scope2，scope3的 參 數 選 擇 ：Data history→Save data to workspace→variable name:分別設為y1，y2，y3，Format:Array。在命令窗口輸入如下程序：

運行并整理，可得圖4所示的SPWM觸發脈沖波形和圖5所示的三相相電壓SPWM波形。

圖4 三相SPWM觸發波形

3 結果及分析

實際生成SPW M控制脈沖時，正弦后半周期的開 關點是前半個正弦周期開 關點的重復 ，因此，僅計算前半個正弦周期的開關點即可。通過編程計算，得到調制波半個周期內的脈沖個數及每個脈沖的起點時刻ta、終點時刻tb及脈沖寬度tw，如表1所示。觀察表中數據可以看出:對稱規則采樣法產生的脈沖寬度，在正半周期前后1/4周期的波形應以π/2為軸線對稱，這樣就可以消除諧波中的余弦項。此外，表1是在調制度M=0.9時的計算結果。若M為其它值時，其脈沖寬度可以根據M的改變情況按比例增減。如調制度為M1時，tai=a1，則調制度為M2時，就有tai=M2/M1*a1。

圖5 三相SPWM相電壓波形

基于simulink模型生成的的SPWM觸發脈沖和三相相電壓SPWM波形如圖5和圖6所示。觀察波形可以看到：三相波形對稱，相位互差2π/3，并且三相SPWM正負兩半周期的相電壓波形鏡對稱，即u（ωt）=-u（ωt+π）。結果與理論相符合：當載波比N為3的整數倍時，逆變器輸出為三相對稱交流電壓，每兩相相位相差120°。當載波比值為3的整數倍并且為奇數時，生成的SPWM相電壓波形是幅值為Ud/2的雙極性方波，且正、負半周鏡對稱。

4 結束語

生成SPWM波形時，為保證三相系統之間的對稱性及每相波形正、負半周的對 稱性，載波比值應取為 3的整數倍 ，并且應為奇數；進而為消除相應的偶次諧波，應該使正負兩半周期的波形鏡對稱；同時為了進一步消除諧波中的余弦項，應該使正半周期內前后1/4周期的波形以π/2為軸線對稱；三相SPWM逆變電路中，同一橋臂上下兩個開關元件交替通斷，工作在互補的方式下。當載波比N為3的整數倍時，逆變器輸出為三相對稱交流電壓，各相之間互差120°。相電壓是幅值為Ud/2的雙極性方波；線電壓是幅值為Ud的單極性方波。

[1]王軍東，劉昌偉.基于DSP的三相SPWM變頻電源的設計[J].設計與應用，2009（4）：59-63.

[2]胡興柳.基于DSP的SPWM變頻電源數字控制[J].電源技術應用，2006（7）：5-8.

[3]張珍敏，趙軍紅，呂永慶.基于SPWM和SVPWM的變頻電源仿真分析[J].通信電源技術，2009，26（4）：4-7.

[4]胡玉祥，田紅芳.一種基于DSP的SPWM波形生成新方法[J].儀器儀表學報，2006（9）：1090-1094.

[5]王兆安，黃俊．電力電子技術[M]．4版.北京：機械工業出版社，2004．

[6]熊新民．一種基于MATLAB的SPWM開關點算法[J]．鄭州工業高等專科學校學報，2004（12）：12-15.

[7]熊軍華，王亭嶺.三種SPWM波形生成算法的分析與實現[J].微計算機信息，2008（24）:307-309.

[8]郝世勇，潘曉晟.MATLAB電機仿真精華50例[M].北京:電子工業出版社，2007.

[9]于潤偉.MATLAB基礎及應用[M]．北京:機械工業出版社，2003.

[10]李宏，焦振宏.SPWM波形等面積動態遞推算法[J].西北工業大學學報，2000（2）:264-266.

[11]張燕賓.SPWM變頻調速技術[M].北京:機械工業出版社，1998.

[12]趙偉杰，吳茂剛.一種包含死區時間的SPWM控制算法[J].機電工程，2007（12）:35-37.

[13]張芳.正弦脈寬調制（SPWM）算法技術的研究[J].火控雷達技術，2008（4）:105-107.

[14]孫巧榆，劉永強.基于自然采樣法的SPWM脈沖計算方法[J].電氣傳動自動化，2001（1）:12-14.

[15]劉鳳君.現代逆變技術及應用[M].北京:電子工業出版社，2006.

[16]楊春玲，朱敏.EDA技術與實驗[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2009.

Analysis and realization of algorithms for SPWM waves

HE Wei-ting，CHENG Qi-jian
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

In order to decrease harmonic components of output voltage in inverter circuit，change and improve frequency of output voltage，make waveform of output voltage in inverter circuit to be an ideal sine wave，we can achieve reverse transformation using the method of sinusoidal pulse width modulation algorithm.The article analyze natural sampling method and symmetry rule sampling method of generating SPWM waveform，and have a simulation experiment based on matlab programming and simulink model.The experimental data indicate:when carrier wave ratio is integral multiple of 3 and is odd number，the three-phase SPWM wave is symmetric，and it's mirror symmetry of positive half cycle and negative half cycle in each phase of the waveform.It can remove harmonic and it's cosine term，make the output waveform in inverter power near an ideal sine wave.

SPWM waveform；natural sampling method；symmetry rule sampling method；simulation.

TN10

A

1674－6236（2016）23-0085-04

2016-01-21稿件編號：201601182

賀為婷（1962—），女，陜西藍田人，碩士，副教授。研究方向：計算機應用技術。