spwm波形的生成方法

　　spwm波形簡(jiǎn)介

　　SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)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(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

　　具體應(yīng)用

　　SA8281型SPWM波發(fā)生器原理及在變頻器中的應(yīng)用

　　脈寬調(diào)制技術(shù)通過一定的規(guī)律控制開關(guān)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(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代電力電子技術(shù)?，F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。

　　近幾年來，由于場(chǎng)控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)的高頻SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發(fā)生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內(nèi)置波形ROM及相應(yīng)的控制邏輯，設(shè)置完成后可以獨(dú)立產(chǎn)生三相PWM波形，只有當(dāng)輸出頻率或幅值等需要改變時(shí)才需微處理器的干預(yù)，微處理器只用很少的時(shí)間控制它，因而有能力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)。保護(hù)和控制等。基于SA8281和89C52的變頻器具有電路簡(jiǎn)單。功能齊全。性能價(jià)格比高?？煽啃院玫葍?yōu)點(diǎn)。

　　實(shí)施要求

　?。?）必須實(shí)時(shí)地計(jì)算調(diào)制波（正弦波）和載波（三角波）的所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有序地向逆變橋中各逆變器件發(fā)出“通”和“斷”的動(dòng)作指令。

　?。?）調(diào)節(jié)頻率時(shí)，一方面，調(diào)制波與載波的周期要同時(shí)改變（改變的規(guī)律本文不作介紹）；另一方面，調(diào)制波的振幅要隨頻率而變，而載波的振幅則不變，所以，每次調(diào)節(jié)后，所有交點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)都必須重新計(jì)算。

　　要滿足上述要求，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的20世紀(jì)80年代才有可能，同時(shí)，又由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，迄今，已經(jīng)有能夠產(chǎn)生滿足要求的SPWM波形的專用集成電路了。

　　spwm波形的生成方法

　　按照前面講述的PWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成的SPWM波形變得比較容易，因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要介紹用軟件生成SPWM波形的幾種基本算法。

　　1、自然采樣法

　　按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)其值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不同。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時(shí)，各脈沖的寬度也相應(yīng)變化。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。

　　圖6.7給出了用自然采樣法生成SPWM波形的方法。

　　交點(diǎn)A是發(fā)出脈沖的時(shí)刻tA，交點(diǎn)B是結(jié)束脈沖的時(shí)刻tB，t2為脈寬，t1+t3為脈寬間歇時(shí)間，Tc=t1+t2+t3。為載波周期，M=Urm/Utm為調(diào)制度，Urm為調(diào)制波幅值，Utm為載波幅值。

　　設(shè)Utm=1，則Urm=M，正弦調(diào)制波為ur=Msinω1t，ω1為調(diào)制頻率，也是逆變器輸出頻率。由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算式t2=Tc/2［1+M/2（sinω1tA+sinω1tB）］

　　這是一個(gè)超越方程，tA、tB與載波比N和調(diào)制度M都有關(guān)系，求解困難，并且tl≠t3，計(jì)算更增加困難，這種采樣法不適宜微機(jī)實(shí)時(shí)控制。

　　2、規(guī)則采樣法

　　自然采樣法的主要問題是SPWM波形每個(gè)脈沖的起始和終了時(shí)刻tA和tB對(duì)三角波的中心線不對(duì)稱，使求解困難。如果設(shè)法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖都與三角載波的中心線對(duì)稱，于是式（6.1）就可以簡(jiǎn)化，而且兩側(cè)的間隙時(shí)間相等，即t1=t3，從而使計(jì)算工作量大為減輕。

　　規(guī)則采樣法有兩種，圖6.8（a）為規(guī)則采樣I法。其特點(diǎn)是：它固定在三角載波每一周期的正峰值時(shí)找到正弦調(diào)制波上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即圖中D點(diǎn)，求得電壓值Urd。用此電壓值對(duì)三角波進(jìn)行采樣，得A、B兩點(diǎn)，就認(rèn)為它們是SPWM波形中脈沖的生成時(shí)刻，A、B之間就是脈寬時(shí)間t2。規(guī)則采樣I法的計(jì)算顯然比自然采樣法簡(jiǎn)單，但從圖中可以看出，所得的脈沖寬度將明顯地偏小，從而造成不小的控制誤差。這是由于采樣電壓水平線與三角載波的交點(diǎn)都處于正弦調(diào)制波的同一側(cè)造成的。

　　圖6.8（b）為規(guī)則采樣Ⅱ法。圖中仍在三角載波的固定時(shí)刻找到正弦調(diào)制波上的采樣電壓值，但所取的不是三角載波的正峰值，而是其負(fù)峰值，得圖中E點(diǎn)，采樣電壓為Ure。在三角載波上由Urt水平線截得A、B兩點(diǎn)，從而確定了脈寬時(shí)間t2。這時(shí)，由于A、B兩點(diǎn)坐落在正弦調(diào)制波的兩側(cè)，因此減少了脈寬生成誤差，所得的SPWM波形也就更準(zhǔn)確了。

　　規(guī)則采樣法的實(shí)質(zhì)是用階梯波來代替正弦波，使算法簡(jiǎn)化。在規(guī)則法中，三角波每個(gè)周期的采樣時(shí)刻都是確定的，不作圖就可算出相應(yīng)時(shí)刻的正弦波值。以規(guī)則采樣Ⅱ法為例，采樣時(shí)刻的正弦波值依次為Msinω1te、Msin （ω1te+Tc）、Msin （ω1te+2Tc）…，由幾何相似三角形關(guān)系可得脈寬計(jì)算公式t2=Tc/2（1+Msinω1te）

　　間歇時(shí)間t1=t3=1/2（Tc-t2）

　　實(shí)用的逆變器多是三相的，因此還應(yīng)形成三相的SPWM波形。

　　三相的SPWM波形如圖6.9所示。三相正弦調(diào)制波互差120°，三角波是公用的。這時(shí)A相和B相脈沖波形相同，每相的脈寬時(shí)間ta2、tb2、tc2均可用式（6.2）計(jì)算。三相脈寬時(shí)間總和為ta2 +tb2+tc2一（3/2）Tc三相間隙時(shí)間總和為3Tc-（3/2）Tc一（3/2）Tc脈沖兩側(cè)間隙時(shí)間相等，ta1+tb1+tc1=ta3+tb3+tc3一（3/4）Tc。