spwm波形的生成方法

　　spwm波形简介

　　SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

　　

　　具体应用

　　SA8281型SPWM波发生器原理及在变频器中的应用

　　脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术。现代调速系统的发展起到极大的促进作用。

　　近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频SPWM（正弦脉宽调制）技术在电机调速中得到了广泛应用。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测。保护和控制等。基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单。功能齐全。性能价格比高。可靠性好等优点。

　　实施要求

　　（1）必须实时地计算调制波（正弦波）和载波（三角波）的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出“通”和“断”的动作指令。

　　（2）调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变（改变的规律本文不作介绍）；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变，所以，每次调节后，所有交点的时间坐标都必须重新计算。

　　要满足上述要求，只有在计算机技术取得长足进步的20世纪80年代才有可能，同时，又由于大规模集成电路的飞速发展，迄今，已经有能够产生满足要求的SPWM波形的专用集成电路了。

　　spwm波形的生成方法

　　按照前面讲述的PWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。微机控制技术的发展使得用软件生成的SPWM波形变得比较容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现。本节主要介绍用软件生成SPWM波形的几种基本算法。

　　1、自然采样法

　　按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地算出正弦波和三角波的交点。

　　

　　图6.7给出了用自然采样法生成SPWM波形的方法。

　　交点A是发出脉冲的时刻tA，交点B是结束脉冲的时刻tB，t2为脉宽，t1+t3为脉宽间歇时间，Tc=t1+t2+t3。为载波周期，M=Urm/Utm为调制度，Urm为调制波幅值，Utm为载波幅值。

　　设Utm=1，则Urm=M，正弦调制波为ur=Msinω1t，ω1为调制频率，也是逆变器输出频率。由几何相似三角形关系可得脉宽计算式t2=Tc/2［1+M/2（sinω1tA+sinω1tB）］

　　这是一个超越方程，tA、tB与载波比N和调制度M都有关系，求解困难，并且tl≠t3，计算更增加困难，这种采样法不适宜微机实时控制。

　　2、规则采样法

　　自然采样法的主要问题是SPWM波形每个脉冲的起始和终了时刻tA和tB对三角波的中心线不对称，使求解困难。如果设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线对称，于是式（6.1）就可以简化，而且两侧的间隙时间相等，即t1=t3，从而使计算工作量大为减轻。

　　规则采样法有两种，图6.8（a）为规则采样I法。其特点是：它固定在三角载波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中D点，求得电压值Urd。用此电压值对三角波进行采样，得A、B两点，就认为它们是SPWM波形中脉冲的生成时刻，A、B之间就是脉宽时间t2。规则采样I法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显地偏小，从而造成不小的控制误差。这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波的同一侧造成的。

　　

　　图6.8（b）为规则采样Ⅱ法。图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而是其负峰值，得图中E点，采样电压为Ure。在三角载波上由Urt水平线截得A、B两点，从而确定了脉宽时间t2。这时，由于A、B两点坐落在正弦调制波的两侧，因此减少了脉宽生成误差，所得的SPWM波形也就更准确了。

　　规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，使算法简化。在规则法中，三角波每个周期的采样时刻都是确定的，不作图就可算出相应时刻的正弦波值。以规则采样Ⅱ法为例，采样时刻的正弦波值依次为Msinω1te、Msin （ω1te+Tc）、Msin （ω1te+2Tc）…，由几何相似三角形关系可得脉宽计算公式t2=Tc/2（1+Msinω1te）

　　间歇时间t1=t3=1/2（Tc-t2）

　　实用的逆变器多是三相的，因此还应形成三相的SPWM波形。

　　三相的SPWM波形如图6.9所示。三相正弦调制波互差120°，三角波是公用的。这时A相和B相脉冲波形相同，每相的脉宽时间ta2、tb2、tc2均可用式（6.2）计算。三相脉宽时间总和为ta2 +tb2+tc2一（3/2）Tc三相间隙时间总和为3Tc-（3/2）Tc一（3/2）Tc脉冲两侧间隙时间相等，ta1+tb1+tc1=ta3+tb3+tc3一（3/4）Tc。