2022年SPWM原理+单极性SPWM

1、spwm 1 spwm 基本原理spwm19理论基于冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积） ，即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。也就是说，不论冲量为何种表现形式， 只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，其输出响应是基本相同的。如果将图 3.6a 所示正弦波等分成若干份，那么该正弦波也可以看做是由一系列幅值为正弦波片段的窄脉冲组成。如果每个片段的面积分别与a、b、cl、m 、n所示一系列等宽不等高的矩形窄脉冲的面积相等，那么由冲量等效原理可知，由 a、b、cl、m 、n这些等宽不等高的矩形脉冲构成的阶梯波和正弦波是等效的。进一步，如果让图 1 所

2、示逆变器产生如图3.6b 所示的一系列幅值为dv的等高不等宽的窄脉冲，并使每个窄脉冲的面积分别与相应a、b、c l、m 、n的面积相等，根据等效原理，图3.6b 中这些等高不等宽的窄脉冲也是与正弦波等效的。所以，不论是正弦波还是与其冲量等效的等宽不等高的阶梯波，又或者是与其冲量等效的等高不等宽的窄脉冲序列，当其作用于惯性系统后， 最终输出是基本相同的。 也就是说， 正弦波通过惯性系统以后还是正弦波，与正弦波等效的窄脉冲序列通过惯性系统后基本也是正弦波。如图 3.6a 所示，将该正弦波wtvtvmsin1的半个周期均分成n个相等的时间段，每个时间段长ntts2/，对应角度为sswt。假定第k个时

3、段的终点时刻为skt ，起点时刻为stk1，则第k个时段中心处相位角为sskktktwwt21 (3.1) 要使图 3.6b 中第k个时段幅值为dv 的窄脉冲的面积与对应时段内正弦波面积相等，脉冲宽度kt 必须满足式dtwtvdtwtvtvsssskttkmkttkabkd)(sin)()1(1)1(精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - -ssm

4、wkttkwwvcos)1(cos1sssmtktwwtwv21sin21sin21 (3.2) 将 3.1 式代入 3.2 式得kmskdkdvwtwwvtvsin21sin211 (3.3) 因此，第k个脉冲的宽度在st 时段内的占空比为kkssdmskskkmwtwtvvttdsinsin21sin21 (3.4) 定义调制比为ssdmwtwtvvm21sin21 (3.5) 如果 n、dv 、mv1、 w的值确定，则m为一常数，从而kd 是按正弦规律变化的，即脉冲宽度是按正弦规律变化的。 这种按正弦规律控制逆变器输出脉冲电压的方法称为正弦脉宽调制。当n很大时，有sswtwt2121si

5、n，从而占空比可简化为kkdmskskkmvvttdsinsin1 (3.6) 调制比为精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - -dmvvm1 (3.7) 从以上各式可以看出，如果调制比m改变，kd 会同比例改变，逆变器输出的基波电压也会同比例改变。t1t2t3t4d1d2d3d4负载vdi0ab图 3.5 逆变电路wtwtuab00ts sabn

6、mljihgfedck 1 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2t1 1t14 14t3 13t12 12t11 11t10 10t9 9t8 8t7 7t6 6t5 5t4 4t3 3t2 2v(t)v1m(a)正弦电压（b）spwm等效电压图 3.6 用 spwm 电压等效正弦电压精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - -

7、-2 单极性 spwm 对应于双极性spwm，如果在调制波的正半周期仅有正的电压脉冲，负半周期仅有负的电压脉冲，则称为单极性spwm。单极性 spwm 一般通过载波实现，具体有两种方式。 可以通过控制信号进行相位参差得到，也可以通过两桥臂进行相位参差得到11。为方便软件算法实现，本文通过两桥臂相位参差法得到。t1t2t3t4d1d2d3d4负载vd/2nvd/2i0ab图 3.7 单极性 spwm 主电路对主电路的 t1、t2桥臂和 t3、t4桥臂分别进行双极性spwm 调制。两桥臂共用一个三角载波，所不同的是t1、t2桥臂的调制波为rv ，而 t3、t4桥臂的调制波为rv 。t1、t2桥臂和

8、 t3、t4桥臂的驱动信号的变化时刻即是图3.9 所示载波与各自调制波的交点时刻。vrvcvgvg1,t1-1-+vg-1-+-1vg2,t2vg4,t4vg3,t3图 3.8 两桥臂相位参差法单极性spwm 驱动信号形成电路当crvv时，使 t1导通， t2截止，2/danvv，当crvv时，使 t1截止， t2导通，2/danvv；当crvv时，使 t3截止，t4导通，2/dbnvv，当crvv时，使 t3导通， t4截止，2/dbnvv。输出电压bnanabvvv，从而abv 可能出现精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共

9、7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - -三种情况，分别为t1、t4同时导通时，dabvv；t2、t3同时导通时，dabvv；t1、t3同时导通或 t2、t4同时导通时，0abv。vcvrwtwtwtwt0000t1t4vab图 3.9 两桥臂相位参差法单极性spwm 输出电压波形vcktkvdvrvabvcmtctc/200wtwtfecba-vr精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共

10、 7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - -图 3.10 单极性 spwm 脉波电压占空比及平均值图 3.10 显示了一个载波周期内的脉冲生成过程。由图 3.10 知在每一个载波周期ct 内产生了两个驱动脉冲， 在前、后半周期各产生了一个输出电压脉冲，即产生了脉冲数倍频的效果，所以这种调制方式也被称为单级倍频spwm 调制。设图 3.10 中正弦调制波tfvtwvtvrrmrrmr2sinsin，幅值为rmv，频率为rf ，三角载波cv 幅值为cmv

11、，频率为cf 。假设载波比很大，近似认为rv 在一个载波周期内大小不变。从而第k个脉冲的占空比为cmkrmcmrckckkvvvveafbecfcttttdsin4/2/2/ (3.8) 式中k表示第k个脉冲中心点所对应的基波角度。半个载波周期内，输出电压的平均面积为cmkrmdckdabvvvttvvsin2/ (3.9) 当载波比很高时，逆变器输出基波电压瞬时值为twvtwmvtwvvvtvrmrdrcmrmdabsinsinsin11 (3.10) 式中，mv1为输出基波电压幅值，m为调制比dmcmrmvvvvm1 (3.11) 式 3.11 表明，输出基波电压与调制波具有相同的频率和相

12、位，所以改变调制波的频率和相位就可以改变输出基波电压的频率和相位。并且，输出基波电压精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - -大小和调制比成正比，如果取cmv为常数，则改变rmv就可以改变输出基波电压。单极性 spwm 同双极性 spwm 一样可以消除低次谐波， 使谐波高频化。 不同的是，单极性 spwm 在不提高每个桥臂开关频率的前提下，将最低次谐波提高到两倍载波频率附近