SPWM变频调速控制策略

1、基于AVR单片机的SPWM变频调速控制策略摘要：重点讨论了一种新型单片机AVR高速嵌入式单片机在交流变频调速中的应用，并给出了软硬件设计方法，同时利用等效面积法生成SPWM脉冲序列，较好的解决了控制精度和实时控制的要求，理论分析和仿真实验证明该方法可行近年来，随着自关断器件的不断发展，采用以正弦波作为参考电压的SPWM（正弦脉宽调制）控制的VVVF变频调速,已成为交流异步电机调速的主流。IGBT作为新一代全控型电力电子器件，综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。 早期使用模拟电路元件生成SPWM波形，

2、所需硬件较多，算法不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的发展，研究重点转移到以MCU、DSP为主的数字方案。 本文介绍一种由AVR高速嵌入式单片机输出的SPWM脉冲序列控制变频调速的方法。1 SPWM波形生成策略1.1 常用算法比较 微机控制的SPWM算法有多种，常用的有自然取样法和规则取样法。自然取样法（图1a）采用计算的方法寻找三角载波U与参考正弦波UR的交点作为开关值以确定SPWM的脉冲宽度，这种方法误差小、精度高，但是计算量大，难以做到实时控制，用查表法将占用大量内存，调速范围有限，一般不采用。规则取样法（图1b）采用近似求U和UR交点的方法，通过

3、两个三角波峰之间中线与UR的交点作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点确定SPWM的脉宽，这种方法计算量相对自然取样法小的多，但存在一定误差。本文采用等效面积法。1.2 等效面积法 把一个正弦半波分为N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相同的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形就与正弦半波等效，显然这一系列脉冲波形的宽的和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。 如图2所示，在区间t,t+t，正弦波面积为S1,则有： 式中M为调制深度，US为直流电源电压。 对应图中脉冲面积 (2) 将正弦信号的正

4、半周N等分，则每份为/N弧度，由图知脉冲高度为US/2,设脉冲宽度为K，则第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得： 如图2所示，IGBT的开关时间按如下计算： IGBT开启时刻： (4) IGBT关断时刻： (5)2 AVR单片机控制系统2.1 AVR单片机结构特点： AT90系列单片机为ATMEL公司生产的新一代基于AVR增强功能、RISC结构的、低功耗CMOS技术的微处理器。 1) 哈佛双总线结构，使程序存储器和数据存储器分开。使用RISC指令集，指令周期绝大部分为单周期指令。有相当高的执行速度，8MHz频率下工作的AVR相当于224MHz频率下工作的普通MCS51。 2

5、) AVR核为32个通用工作寄存器与丰富指令集的组合，32个寄存器全部直接地与运算逻辑单元连接，这种组合机构具备的代码效率比完成同样处理能力的常规CICS微处理器要快10倍以上，从而解决了MCS51的累加器A的瓶颈问题。 3) 内置晶振的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器、SPI串口和UART串口，有几种产品有810位的AD转换器。有带比较和捕获模式的定时计数器，且具有PWM功能，PWM可以在双8值、9位或10位下自运行、抗误、节拍修正操作。同时还有一路输入捕获口，可以捕获引脚ICP上的上升和下降沿。 4) AVR单片机内置可重复编程的FLASH程序存储器和EEPROM数据存储器，最大可达25

6、6K的EEPROM，可用于保存运动参数，便于现场参数修改，这使得它用在运动控制方面有很大的灵活性。同时AVR单片机还支持对存储器的在系统编程。 这些特点使得AT90系列单片机成为一种满足许多需要的、具有高度灵活性和低成本的嵌入式控制应用的高效微控制器。本文采用AT90LS8535芯片，8K可重复编程FLASH,512字节的SRAM,三路PWM通道，8路10位A/D。2.2 控制规律 在高频段（f50Hz）和低频段（f10Hz）采用恒功率控制，可加大调速范围，中频段采用恒转矩控制。为使输出波形对称性好、谐波分量小，系统采用分段同步调制，以保证整个变频范围内的开关频率变化不是很大。每个频段载波比N

7、为恒定值，不同频段的N不同，为了计算快速，余弦采用查表方式，余弦三角函数表在0360范围内，每隔0.1度存一个余弦值，每个余弦值由16位二进制构成，其中最高位为符号位，后15位表示数值位。整个余弦函数表预先存在EPROM中，占用了近8K字节的寄存器。为保证三相互差120，N应设为3的整数倍。2.3 硬件结构： 系统框图SPWM变频调速系统结构图略可向作者索取，IGBT的驱动模块采用富士电机公司的EXB841驱动器，AT90LS8535输出的三相脉宽调制SPWM波经分相与开通延时电路分为六路输出，分别控制EXB841的光耦，以驱动6个IGBT功率器件；40脚的PA0作为A/D采样输入口，采样电位

8、器给定频率；16脚的INT0外部中断作为电路故障信号（过流、过压等）的输入脚； 由于AT90LS8535芯片复位时端口的初始状态是“高”，因此封锁信号和驱动信号均设为“低”电平为无效状态；PWM的载波周期由片内定时器T0完成；定义T/C1控制寄存器TCCR1A和T/C2控制寄存器TCCR2，使T/C1、T/C2工作在8位PWM模式。PD4（OC1B）、PD5(OC1A)、PD7（OC2）作为三相PWM输出口；扩展8279键盘显示接口芯片，可自动完成键盘的扫描输入和LED的扫描显示输出，节省了CPU对键盘/显示器的操作时间。内部有硬件看门狗，防止程序跑飞。3 系统软件设计 采用模块化设计思想，包

9、括主程序、T/C0中断服务子程序、外部中断服务子程序、键盘显示子程序等。 主程序的主要任务是对逆变器的输出频率进行采样，计算调制深度M、载波比N、载波周期定时常数T,确定正弦时标。计算脉冲宽度，根据(4)、（5）式计算出三相开关点TonU,TonV,TonW,ToffU,ToffV,ToffW，主程序流程图略可向作者索取。 T/C0中断服务程序:定时时间到达载波周期T后，CPU执行T/C0中断服务程序，读开关点数据，计算各相占空比，存储在相应PWM控制寄存器中，PWM使能，向端口发送驱动信号。程序流程图3所示。 外部中断服务程序：当IGBT上发生过流时，EX841立即向单片机申请中断，CPU发

10、出指令封锁所有输出，有效地保护各功率器件。5实验及结论 按照上述的设计思想，开发了单片机控制系统的软硬件，程序由ICCAVR编写，在SL-AVR实验开发机上调试通过，输出波形经示波器观察，SPWM波形线性度较好，当给定频率改变时，三相线电压基本保持对称。 采用等效面积法生成的SPWM波形精度高，更接近正弦波，且谐波分量小，同时也对CPU的运算速度提出更高要求。本文利用高速嵌入式AVR单片机产生SPWM脉冲序列，与专用控制芯片相比，具有速度快、精度高、算法灵活等特点，同时由于AVR单片机价格低廉，编程开发方便，在低成本的变频调速系统中有良好的发展前景。基于DSP的SPWM直接面积等效算法的分析和

11、实现摘 要：以DSP为核心设计并实现了基于直接面积等效法生成SPWM波的变频实验系统。首先分析了算法的原理，然后讨论了基于DSP的软件流程，最后在硬件的基础上给出了实验波形，验证了方案的可行性变频技术作为现代电力电子的核心技术,集现代电子、信息和智能技术于一体。针对工频(我国为50 Hz)并非是任何用电设备的最好工作频率，因而导致许多设备长期处于低效率、低功率因数运行的现状,变频控制提供了一种成熟、应用面广的高效节能新技术。 而SPWM（正弦波脉宽调制）波的产生和控制则是变频技术的核心之一。开始的SPWM生成技术是采用模拟电路构成三角波和正弦波发生电路，用比较器来确定他们的交点。这种方法电路复

12、杂，精度较差，早已淘汰。后来人们采用单片机和微机生成SPWM波，但受硬件计算速度和算法计算量的影响，往往无法兼顾计算的精度和速度。再后来随着具备强大运算能力的DSP和一些新算法的出现，这一问题得到了较好地解决。1 算法的原理 一般SPWM波形的产生有以下几种方法：自然采样法、规则采样法、低次谐波消去法直接面积等效法等。其中自然采样法的精度很高，但他求解导通关断点需要解一个超越方程，计算量很大，一般不被采用。低次谐波消去法计算复杂，只能用查表法，而且这种方法的波形频率和幅值是不能够连续变化的。因此将主要分析规则采样法，直接面积等效法这两种方法的原理。 规则采样法是从自然采样法演变而来的，他由经过

13、采样的正弦波(实际上是阶梯波)和三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。其原理如图1(a)所示。 其中： Tz: 三角载波周期 M: 调制深度(正弦波和三角波幅值比) t：某采样时刻 直接面积等效法的基本原理如图1(b)所示。 在图中的正弦半波波形中取一小区间t，t+t，其面积为S1，则和其面积相等的矩形脉冲面积为S2，宽度为i。设正弦波幅值为Usin，调制度为M，矩形脉冲幅值为Us。有 式中k代表第k次采样，N代表半周期内对正弦波的采样点。则IGBT的开关时间可如下计算：2 算法的分析及其在DSP上的实现 (1)算法的分析 在生成SPWM波

14、形时，通常有查表和实时计算两种方法，实际使用时往往是两种方法的结合，即先离线进行必要的计算存入内存，运行时再进行较为简单的在线计算，这样既可确保快速性，又不会占用大量的内存。 规则采样法通常事先存入正弦函数表和不同载波频率时的Tz/2,运行时根据需要的Tz,M和即可算出开关器件的导通时间（详见公式1）。这种方法的计算量很小且波形的幅值和频率都是能够连续变化的。 直接面积等效法通常事先存入不同频率下的余弦函数表，运行时也只要进行简单的乘法和减法运算（详见公式2）。这种方法的计算量适中且波形的幅值和频率也是连续变化的。 由规则采样法的原理可知他是用一近似的阶梯波来代替正弦波和三角波进行比较，因此他

15、的精度较低，但由于计算简单，在使用单片机和微机生成SPWM波的时代得到了较为广泛的应用。但随着具备强大运算能力的DSP的出现，使得兼顾计算的精度和速度这一问题有了解决的希望。因此采用具备较高精度且计算量适中的直接面积等效法和DSP相结合来解决这一问题。 (2)DSP的特点 DSP的厂家很多，国内应用主要以TI公司的居多。这里采用TI公司的TMS320系列。TI公司的TMS320C2000 DSP是基于320C2xLP核。为了实现小数的算术运算和验证小数的乘积，C2xLP的乘积寄存器的输出通过乘积移位器，以抑制运算中产生的多出来的Bit。该乘积定标移位器允许作128个乘积累加而不会产生溢出。基本

16、的乘积累加（MAC）周期，包括将一个数据存储器的值乘以一个程式存储器的值，并将结果加给累加器。当C2000循环执行MAC，则程式计数器自动增量，并将程式总线释放给第二个操作数，从而达到单周期执行MAC。 C2000系列中的C24x系列的芯片具备事件管理器。该事件管理器具备3个加/减定时器和9个比较器，能够和波形产生逻辑配合产生12 PWM的输出。支持同步的和异步的PWM产生。他还支持一个空间向量PWM状态机，用开关功率晶体管来实现，以延长晶体管的寿命和降低功耗。一个关机段产生单元也有助于保护功率晶体管。其原理如图2所示。 能够看到，为了实现实时的变压和变频，需要根据当前载波所在时间T做大量的运

17、算，而这些运算都需要在一个载波周期内完成。以载波频率为15625Hz为例，其周期为64s，若需要三相输出，则任何这些运算都需要在32s内完成。这对于单片机而言，是完全不可能的。而对于DSP而言，其指令周期为50ns，且多为单周期指令，并且有单周期的乘法指令。因此，充分利用了DSP的强大运算能力，才最终实现了上述计算的实时完成。 （3）直接面积等效法的实现 根据直接面积等效法的公式，在Flash中存入1个cosX/2的表，这样就能够尽可能简化不必要的运算。在实际计算时只需计算1次减法、1次乘法、1次除法即可。 程式流程图见图3。3 变频系统的最终实现 根据上述设计，使用IPM（智能功率模块）及相

18、应的整流，滤波电路搭建了一变频实验系统。出于扩展的需要，使用单片机扩展了其的输入输出接口，使其具备更好的通用性。其硬件结构如图4所示。 如图4所示，基于DSP的SPWM控制系统中，包括三大模块：IPM智能功率模块、DSP处理器和单片机。DSP处理器用于实时产生PWM脉冲信号，用以控制IPM产生输出信号。单片机系统用于接受外部控制信号，负载端电压、电流的采样信号，各种电路保护信号等输入信号，一方面进行工作状态的实时显示，另一方面对实时采样的电压电流信号进行处理后，向DSP系统送去相应信号，使DSP在线调整SPWM信号，满足闭环工作的技术指标需要。这样的系统构成模式使系统功能模块化，可最大限度地发

19、挥DSP的计算能力，调试方便，便于系统的功能扩充，为以后系统的升级换代提供了较为方便的条件。 通过该实验系统，实现了输出频率可在11000Hz内变化的SPWM波形的生成。其主要波形如图5所示。 4 结论 研究表明，以DSP为核心基于直接面积等效法生成SPWM波的变频实验系统是成功的。其较宽的变频范围和扩展的输入输出接口使其在变频电源、变频器等多方面都能得到广泛的应用。基于PIC单片机的SPWM控制技术在UPS等电力电子设备中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多，汇总如下。 1）利用分立元件，采

20、用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，实现困难且不易改进； 2）由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制； 3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计，实现数字式SPWM发生器； 4）基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。 而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展，尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的外围功能模块（CCP），利用此模块更容易通

21、过软件实现SPWM，且具有更快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法，利用面积等效法，并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的SPWM控制。 1 面积等效的SPWM控制算法 目前生成SPWM波的控制算法主要有4种。 1）自然采样法； 2）对称规则采样法； 3）不对称规则采样法； 4)面积等效法。 理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算，所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现SPWM控制，其原理如图1所示。 图1 SPWM面积等效算法 利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则，将

22、正弦波的正半周分为N等分，则每一等分的宽度为/N弧度，利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值，将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中，以供程序调用。 脉宽产生的基本公式为 式中：M为调制度； N为载波比，即半个周期内的脉冲个数，实验中N取64； k取值为063。 由式（1）计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽，再由宽到窄的64个值的表。 2 软硬件结合试验系统 以PIC单片机内部的两个外围功能模块（CCP）为基础，利用该模块具有的PWM功能，软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波

23、利用互补导通原则变换成4路，经隔离放大后驱动IGBT逆变器，实现对输出的控制。 2.1 硬件设计 试验硬件系统如图2所示。选择PIC单片机的中档系列，该系列单片机的主要特点有： 1）具有高性能的RISCCPU； 2）除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令，且仅有35条单字指令； 3）8K14个FLASH程序存储器，3688个数据存储器（RAM）字节； 4）中断能力强，达到14个中断源； 5）外围功能模块丰富，含2个16位寄存器的CCP模块，具有PWM功能； 6）含3个定时器，其中与PWM功能相关的定时器2（即TMR2）带有8位周期寄存器，且带有8位预分频器和后分频器。图2 硬件试验系统

24、 逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它的控制级为绝缘栅场效应晶体管，输出级为双级功率晶体管，因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。 2.2 软件设计 2.2.1 PIC单片机的设置 试验中设置SPWM的频率为20kHz，并外接20MHz晶振信号，计算得指令周期即计时步阶为0.2s。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。 1）SPWM周期的设定由寄存

25、器PR2设定 (PWM)周期=（PR21）4Tosc（TMR2）预分频（4） 试验中Tosc为20MHz，为提高分辨率，TMR2预分频设为1：1，由此计算得PR2=0XF9； 2）定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定 因为SPWM频率高，周期短，在每个周期内完成脉宽的调整比较困难，故在此寄存器中设置后分频为1：3，这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值； 3）2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定 两个CCP模块控制寄存器的设置类似，选择CCP模块作用于PWM功能模式，即bit3：0=11。 4）CCPR1L脉宽写入寄存器 写入的脉宽值在下个TMR2周期

26、开始时转至CCPR1H，通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。 5）寄存器TRISC 对应于CCP1和CCP2的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2：1=00。 2.2.2 SPWM波形产生的实现过程 软件控制PIC单片机使之产生SPWM波形?首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP模块引脚输出高电平。 当TMR2CCPR1L时，PWM功能引脚开始输出低电平。 当TMR2PR2时，则TMR2=0，重新开始另一个周期计数，PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高，即TMR2IF=1，转去执行

27、中断服务程序。 因实验中设置TMR2后分频为1：3，故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表，将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值，也就是说脉宽的变化在中断程序中实现，中断程序流程如图3所示。 图3 中断服务程序流程图 程序中利用标志位F实现SPWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时，CCP1输出PWM波形，CCP2设置输出为0电平；在F=0时，CCP2输出PWM波形，CCP1设置输出为0电平。 3 试验结果与分析 由PIC单片机产生的SPWM波可由示波器测出。由于SPWM频率为20kHz

28、，程序中又设置每3个脉宽相等，故在示波器中不能清楚地看到脉宽从最小到最大的完整的变化过程。由PIC单片机的CCP1引脚输出SPWM波形的一段如图4所示。这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽，符合SPWM的变化规律。 图4 SPWM波形的一段 试验中由PIC单片机的两个CCP模块产生两路SPWM波，将这两路SPWM波变换成4路后经隔离驱动逆变系统的IGBT。产生的两路SPWM波形分别对应正弦波的正负半波，完整周期的两路SPWM互补波形如图5所示。 图5 两路互补的SPWM波 试验系统在直流电压为30V时负载运行所得正弦波如图6所示，可知周期为19.9ms，满足工频要求。 图6 负载正弦波 试验系统为单相

29、全桥逆变系统，这种工作模式有明显的倍频效应。倍频效应有利滤波，也可以降低器件的开关频率，减小开关损耗。又因为本试验系统采用面积等效法，相对于规则采样法谐波抑制能力较强。谐波分析后可在低电压时基本无偶次谐波，且所含奇次谐波幅值较小，能满足UPS逆变系统对谐波的要求。 4 结语 本文介绍的基于PIC单片机的SPWM控制技术很好地把软硬件技术结合在一起，针对规则采样法谐波大的缺点，利用面积等效法较好地抑制了谐波。本文给出了具体的硬件试验系统及软件设计，分析试验结果波形后表明此方法输出谐波较小，在对输出波形质量要求较高的UPS逆变系统中有较强的实用价值。如今PIC单片机应用越来越广泛，电力电子技术发展

30、越来越快速的阶段，这种软硬件结合的控制技术在其它很多应用领域也有较大的发展空间。PWM技术实现方法综述0引言 采样控制理论中有一个重要结论：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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力

31、电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。 1相电压控制PWM 1.1等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法

32、的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 1.2随机PWM 在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪

33、声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。 1.3SPWM法 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

34、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。该方法的实现有以下几种方案。 1.3.1等面积法 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦

35、波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。 1.3.2硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，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，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。 1.3.3软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，

36、软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。 1.3.3.1自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 1.3.3.2规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

37、当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中。 1.3.4低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中

38、某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u(t)=ansinnt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1，a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。 该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。 1.4梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6%。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法梯形波与

39、三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次、7次等低次谐波。 2线电压控制PWM 前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。因此，提出了线电压控制PWM，主要有以下两种方法

40、。 2.1马鞍形波与三角波比较法 马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波，调制信号便呈现出马鞍形，而且幅值明显降低，于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下，可以使基波幅值超过三角波幅值，提高了直流电压利用率。在三相无中线系统中，由于三次谐波电流无通路，所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波。 除了可以注入三次谐波以外，还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形，这些信号都不会影响线电压。这是因为，经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波，但在合成线电压时，各相电压中的这些谐波将互相抵消，从而

41、使线电压仍为正弦波。 2.2单元脉宽调制法因为，三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系，所以，某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和。现在把一个周期等分为6个区间，每区间60，对于某一线电压例如Uuv，半个周期两边60区间用Uuv本身表示，中间60区间用-(Uvw+Uwu)表示，当将Uvw和Uwu作同样处理时，就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60区间的两种波形形状，并且有正有负。把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号，载波仍用三角波，并把各区间的曲线用直线近似(实践表明，这样做引起的误差不大，完全可行)，就可以得到线电压的脉冲波形，该波形是完全对称，且规律性很强，负半周

42、是正半周相应脉冲列的反相，因此，只要半个周期两边60区间的脉冲列一经确定，线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了。这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号，但由于已知三相线电压的脉冲工作模式，就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了。 该方法不仅能抑制较多的低次谐波，还可减小开关损耗和加宽线性控制区，同时还能带来用微机控制的方便，但该方法只适用于异步电动机，应用范围较小。 3电流控制PWM 电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有以下3种。 3.1滞环比较法这是一种

43、带反馈的PWM控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 3.2三角波比较法该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生PWM波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。 3.3预测电流控制法预测电流控制是在

44、每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。 4空间电压矢量控制PWM空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个

45、整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成PWM波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。 5矢量控制PWM矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia，Ib及Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量