SPWM调制技术及其应用

SPWM调制技术及其应用
1、 正弦脉宽调制（SPWM）技术的理论基础
         采样控制理论中有一个重要结论：形状不同但面积相等的窄脉冲
加之于线性环节时，得到的输出效果基本相同。如图所示，分别是矩
形、三角形、正弦半波窄脉冲和理想单位脉冲函数为波形的电压源
 u(t) 施加于R、L负载上的情况，当负载时间常数远大于激励脉冲持续
时间时，响应 i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。由于响应持续时
间较长的下降段体现了低频成份，持续时间短的上升段体现了响应的
高频分量，因此各个响应按傅里叶分析在低频段基本一致，差别存在
于高频段。当激励脉冲越窄（或负载惯性常数与脉冲持续时间相差越
大），则响应的高频段所占比例愈小，整个响应愈相近。

线性系统周期性窄脉冲群的响应可以等效为各个窄脉冲相应的叠
加，这样某一以时间为自变量的激励函数加在惯性环节上的响应可以
被等效为按时间段与之面积相等的窄脉冲序列加在同一环节上得到的
响应。
      利用等面积序列脉冲等效正弦半波相应时间段的面积就形成了
一系列脉宽随正弦波瞬时值变动的脉冲序列－－即SPWM波，如图所
示。开关功率变换器输出为脉冲函数，利用高频SPWM波施加于负
载，并配置低通滤波环节就能够产生需要的低频正弦响应－－即
SPWM 调制技术的基本原理与方法。
2、自然采样法－－产生SPWM波的基本方法
按照三角波（或锯齿波、统称为载波）与正弦波（调制波）比较，产生SPWM脉冲序列的方法称为自然采样法。
正弦波在不同相位角时其值不同，与三角波相交所得脉冲宽度也不同；
当正弦波频率变化和幅值变化时，各个脉冲宽度也相应发生变化。
利用模拟电路可以方便的实现这个功能，将正弦波与三角波施加于比较器的两个输入，其输出即为SPWM波，因此这种方法在模拟控制方式中比较常用，但作为数字控制时由于计算工作量大，一般不常用。
自然采样法示意：
uc为三角载波，周期为Tc
us为正弦调制波，周期为Ts
当 us> uc 时，输出＋Uo
           当 us< uc 时，输出－Uo
一般有：Ts>> Tc
                                 usm≤ ucm

3、规则采样法（自然采样法的改进－－适合数字控制）
规则采样法的原理
    以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为整个载波周期内调制波的幅
值，这样调制波与与载波比较得到SPWM信号的方法称为规则采样法。
规则采样法的特点
（1）相当于以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为基准的阶梯波代替正
     弦调制波来产生SPWM波；
（2）在数字控制系统中，SPWM信号由计算机产生，各个脉冲起始与
       终止时刻需要实时计算或查表，采用这种方法计算工作量大为减
       小，因此，在数字控制系统中应用广泛。
规则采样法示意：
   uc为三角载波，周期为Tc
   us为正弦调制波，周期为Ts
  以载波周期谷点时刻调制波瞬时值
     为整个载波周期内调制波的幅值us(t0)
  当 us> uc 时，输出＋Uo
         当 us< uc 时，输出－Uo

4、双极性SPWM控制逆变的原理与分析（自然采样法的应用）
（1）引入一个固定频率、固定幅值的三角波uc－－三角载波。
（2）引入一个与输出频率相同、幅值不超过三角波的正弦波us－－
        调制波。
（3）将调制波与三角载波进行比较，输出一系列脉宽按正弦规律
        变化的方波－－ SPWM波，用来控制桥式逆变器的两组开关。
（4）控制方法：
        Us> Uc 时，VT1、VT3导通，VT2、VT4关断，输出电压+Ud
           Us< Uc 时，VT2、VT4导通，VT1、VT3关断，输出电压-Ud
（5）输出波形调频、调压的实现
       双极性SPWM波的特点：输出基波频率与调制波相同，输出基
波电压与幅度调制比相关，输出谐波频率为调制波频率的整数倍。
因此，固定三角载波的频率和幅值，改变调制波的频率和幅值就可以
改变输出SPWM波中正弦基波的频率和幅值。
（6）输出基波电压与直流电压利用率
基波电压幅值：
      在幅度调制比不超过1时，双极性SPWM的输出电压基波幅值与
幅度调制比成正比
直流电压利用率：
（7）双极性控制的特点
直流电压利用率低，解决的方法是采用过调制或注入谐波调制；
开关频率提高是改善输出谐波特性根本办法，但也带来相应的损耗；
桥臂互补工作的可靠性问题要求加入“死区时间”，但降低了电路的直流电压利用率并引入理论上没有的低频谐波（3、5、7。。。次谐波）等不良影响。

5、单极性SPWM控制逆变的方法（倍频控制的SPWM方法）
（1）引入一个固定频率、固定幅值的三角波uc－三角载波。
（2）引入一个与输出频率相同、幅值不超过三角波的正弦波us －调制
       波。
（3）将调制波us与三角载波uc进行比较，输出一系列脉宽按正弦规律
       变化的方波－SPWM波，用来控制桥式逆变器的VT1、VT4，将调
       制波-us与三角载波uc进行比较，输出一系列脉宽按正弦规律变化 
       的方波－SPWM波，用来控制桥式逆变器的VT2、VT3，根据频谱
       分析结果，输出波形中除与调制波相同频率的波形幅值较大外，
       其余的谐波含量主要为与三角载波频率相关的高次谐波，最低为
       三角载波频率的2倍，由于三角载波频率较高，比较容易滤除。
（4）控制方法：
        us> uc 时，VT1导通，VT4关断，输出电压+Ud
           us< uc 时，VT4导通，VT1关断，输出电压-Ud
                  -us> uc 时，VT2导通，VT3关断，输出电压+Ud
           -us< uc 时，VT3导通，VT2关断，输出电压-Ud

例、t1--t2  时间段：
        us< uc ，VT4导通，VT1关断
           -us< uc，   VT3导通，VT2关断
           因此， VT3、 VT4导通，输出电压uAB=0V 
 t3--t4  时间段：
        us > uc ，VT1导通，VT4关断
        -us< uc，    VT3导通，VT2关断
        因此， VT1、 VT3导通，输出电压uAB= Ud
            t5--t6  时间段：
             us > uc ，VT1导通，VT4关断
        -us> uc，    VT2导通，VT3关断
        因此， VT1、 VT2导通，输出电压uAB= 0
            t7—t8  时间段：
        -us > uc ，VT2导通，VT3关断
        us< uc ， VT4导通，VT1关断
        因此， VT2、 VT4导通，输出电压uAB= -Ud

直流—交流变换技术