SPWM调制方法对比分析

发布时间：2020-07-21 19:20:11 阅读：次来源：冲床厂家

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。

本文引用地址：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，Tt为三角波的周期，Ur为三角波的幅值，正弦波为Ucsinωt，Ts称为采样周期，Ts=Tt/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=Uc/Ur为正弦波幅值对三角波幅值之比，0M1，M的值越大，则输出电压也越高；

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

tp=ton＋ton′=[1＋(sinωt1＋sinωt2)] （2）

式（2）中t1及t2不但与载波比N=T/Tt（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Ts(Ts=Tt)内的位置是对称的，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

tpw=(1＋Msinωt1)=(1＋Msinωt1) （4）

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=kTt，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t1就可以确定出这个采样周期内的时间间隔toff与脉冲宽度tpw的值。

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。在这里，采样周期Ts是三角波周期的1/2，即Ts=Tt/2。由图3可知

（5）

图3 不对称规则采样法