SPWM

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈衝寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈衝電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調製波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

基本介紹

• 中文名：正弦脈寬調製
• 外文名：Sinusoidal Pulse Width Modulation
• 分類：為PWM中的一種
• 特點：使用較廣泛

定義

PWM

PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈衝寬度調製），它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用於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的基礎上改變了調製脈衝方式，脈衝寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用於直流交流逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領域被廣泛的採用。

該方法的實現有以下幾種方案。

1.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衝序列代替正弦波，然後計算各脈衝的寬度和間隔，並把這些數據存於微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由於此方法是以SPWM控制的基本原理為出發點,可以準確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,數據占用記憶體大,不能實時控制的缺點。

2.硬體調製法

硬體調製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製信號,把接受調製的信號作為載波，通過對載波的調製得到所期望的PWM波形。通常採用等腰三角波作為載波，當調製信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實方法簡單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調製波發生電路，用比較器來確定它們的交點，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，這種模擬電路結構複雜，難以實現精確的控制。

3.軟體生成法

由於微機技術的發展使得用軟體生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟體生成法也就應運而生。軟體生成法其實就是用軟體來實現調製的方法，其有兩種基本算法：即自然採樣法和規則採樣法.

（1）自然採樣法

以正弦波為調製波,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,這就是自然採樣法.其優點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由於三角波與正弦波交點有任意性，脈衝中心在一個周期內不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。

（2）規則採樣法

規則採樣法是一種套用較廣的工程實用方法，一般採用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行採樣得到階梯波，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.當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行採樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即採樣周期)內的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規則採樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行採樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(此時為採樣周期的兩倍)內的位置一般並不對稱，這種方法稱為非對稱規則採樣。

規則採樣法是對自然採樣法的改進,其主要優點就是是計算簡單,便於線上實時運算,其中非對稱規則採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。

以上兩種方法均只適用於同步調製方式中。

4.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,首先確定基波分量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。該方法同樣只適用於同步調製方式中。

5.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儘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，該方法是採用梯形波作為調製信號，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。

由於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。但由於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

(1)調製波和載波：曲線①是正弦調製波，其周期決定於需要的調頻比kf，振幅值決定於ku,曲線②是採用等腰三角波的載波，其周期決定於載波頻率，振幅不變，等於ku=1時正弦調製波的振幅值，每半周期內所有三角波的極性均相同(即單極性)。

調製波和載波的交點，決定了SPWM脈衝系列的寬度和脈衝音的間隔寬度，每半周期內的脈衝系列也是單極性的。

(2)單極性調製的工作特點：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈衝系列的規律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，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

(1)調製波和載波：

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

(2)雙極性調製的工作特點：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衝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。

雙極性SPWM波形

實施要求

(1)必須實時地計算調製波(正弦波)和載波(三角波)的所有交點的時間坐標，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。

(2)調節頻率時，一方面，調製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，調製波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調節後，所交點的時間坐標都必須重新計算。　要滿足上述要求，只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，又由於大規模積體電路的飛速發展，迄今，已經有能夠產生滿足要求的SPWM波形的專用積體電路了。

原理

一個連續函式是可以用無限多個離散函式逼近或替代的，因而可以構想用多個不同幅值的矩形脈衝波來替代正弦波，在一個正弦半波上分割出多個等寬不等幅的波形(假設分出的波形數目n=12)，如果每一個矩形波的面積都與相應時間段內正弦波的面積相等，則這一系列矩形波的合成面積就等於正弦波的面積，也即有等效的作用。為了提高等效的精度，矩形波的個數越多越好，顯然，矩形波的數目受到開關器件允許開關頻率的限制。 

在通用變頻器採用的交-直-交變頻裝置中，前級整流器是不可控的，給逆變器供電的是直流電源，其幅值恆定。從這點出發，構想把上述一系列等寬不等幅的矩形波用一系列等幅不等寬的矩形脈衝波來替代，只要每個脈衝波的面積都相等，也應該能實現與正弦波等效的功能，稱作正弦脈寬調製(spwm)波形。例如，把正弦半波分作n等分(n=9)，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈衝來代替，矩形脈衝的幅值不變，各脈衝的中點與正弦波每一等分的中點相重合，這樣就形成spwm波形。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法與一系列負脈衝波等效。這種正弦波正、負半周分別用正、負脈衝等效的spwm波形稱作單極式spwm。

套用簡介

具體套用

SA8281型SPWM波發生器原理及在變頻器中的套用

脈寬調製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衝波形，用以近似正弦電壓波形。脈寬調製技術在逆變器中的套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。由於場控自關斷器件的不斷湧現，相應的高頻SPWM(正弦脈寬調製)技術在電機調速中得到了廣泛套用。SA8281是MITEL公司推出的一種用於三相SPWM波發生和控制的積體電路，它與微處理器接口方便，內置波形ROM及相應的控制邏輯，設定完成後可以獨立產生三相PWM波形，只有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預，微處理器只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。基於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。

單片機生成

市場上使用的很多單片機都有生成SPWM控制波形的功能，該生成波形外接驅動電路即可驅動功率橋，達到逆變的目的。應該說，只要具有PWM模組和定時器模組的單片機都可以完成此任務。

具體實現即首先將正弦表賦值給數組。然後PWM波形發生模組每個PWM周期進入中斷，在ISR中按照正弦表更改PWM比較器的值，依次循環即可。