SPWM:脈沖寬度調制方法-中文百科頻道

定義

PWM

PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調制），它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動機調速和閥門控制，比如電動車電機調速就是使用這種方式。

所謂SPWM，就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過适當的濾波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市電的三相輸出，在變頻器領域被廣泛的采用。

該方法的實現有以下幾種方案。

等面積法

該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然後計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數據存于微機中,通過查表的方式生成PWM信号控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發點,可以準确地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數據占用内存大,不能實時控制的缺點。

硬件調制法

硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調制信号,把接受調制的信号作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調制信号波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實方法簡單，可以用模拟電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來确定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模拟電路結構複雜，難以實現精确的控制。

軟件生成法

由于微機技術的發展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法其實就是用軟件來實現調制的方法，其有兩種基本算法：即自然采樣法和規則采樣法.

自然采樣法

以正弦波為調制波,等腰三角波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然采樣法.其優點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期内不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。

規則采樣法

規則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現SPWM法.當三角波隻在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所确定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)内的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規則采樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所确定的脈寬，在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)内的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規則采樣。

規則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規則采樣法因階數多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制範圍較小。

以上兩種方法均隻适用于同步調制方式中。

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展開，表示為u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波。

該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩餘未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算複雜的缺點。該方法同樣隻适用于同步調制方式中。

梯形波與三角波比較法

前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%。因此,為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調制信号，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現PWM控制。

由于當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。

單極性法

調制波和載波：曲線①是正弦調制波，其周期決定于需要的調頻比kf，振幅值決定于ku,曲線②是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調制波的振幅值，每半周期内所有三角波的極性均相同(即單極性)。

調制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期内的脈沖系列也是單極性的。(2)單極性調制的工作特點：每半個周期内，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，隻有一個器件按脈沖系列的規律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期内，兩個器件的工況正好相反，流經負載ZL的便是正、負交替的交變電流。

雙極性法

調制波和載波：

調制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時正弦波的振幅值相等。調制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。

雙極性調制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載ZL的是按線電壓規律變化的交變電流。

實施要求

必須實時地計算調制波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐标，根據計算結果，有序地向逆變橋中各逆變器件發出“通”和“斷”的動作指令。

調節頻率時，一方面，調制波與載波的周期要同時改變(改變的規律本文不作介紹)；另一方面，調制波的振幅要随頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調節後，所交點的時間坐标都必須重新計算。要滿足上述要求，隻有在計算機技術取得長足進步的20世紀80年代才有可能，同時，又由于大規模集成電路的飛速發展，迄今，已經有能夠産生滿足要求的SPWM波形的專用集成電路了。

應用簡介

具體應用

1.SA8281型SPWM波發生器原理及在變頻器中的應用

脈寬調制技術通過一定的規律控制開關元件的通斷，來獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，用以近似正弦電壓波形。脈寬調制技術在逆變器中的應用對現代電力電子技術以及現代調速系統的發展起到極大的促進作用。

近幾年來，由于場控自關斷器件的不斷湧現，相應的高頻SPWM(正弦脈寬調制)技術在電機調速中得到了廣泛應用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，内置波形ROM及相應的控制邏輯，設置完成後可以獨立産生三相PWM波形，隻有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的幹預，微處理器隻用很少的時間控制它，因而有能力進行整個系統的檢測。保護和控制等。基于SA8281和89C52的變頻器具有電路簡單，功能齊全，性能價格比高，可靠性好等優點。

2.介質阻擋放電産生臭氧與工作頻率關系密切，臭氧的産量、濃度與産率指标往往相互背離，研究工作頻率對臭氧指标的綜合影響有重要意義。SPWM電源與臭氧發生器負載的等效電路及仿真表明SPWM輸出方波的基波為正弦波，幅值10%-95%可調，頻率50Hz-2000Hz可調，可方便用于測試頻率對臭氧産生性能的影響。搭建由145根放電單元組成的工業應用級臭氧發生器，設計單相三階SPWM臭氧電源，試驗結果表明：諧振頻率點随調制度的改變、運行電壓的高低會有些變化，當工作頻率略低于諧振頻率時，發生器性能指标較好，當工作頻率大于諧振頻率時，臭氧濃度、産率等性能指标出現較大幅度下降。