课程设计SPWM波生成方法课件

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书SPWM波生成方法探讨1 PWM控制技术PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。调制：将一个波形（调制参考波）信号的有关信息加到另一个波形上（载波）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。2 SPWM控制技术SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排

2、列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。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

3、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）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。 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

4、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。 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，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。a 自然采样法 自然采样法是一种基于面积等效的能量转化形式，其基本原理如下：当正弦调制波与等幅的三角载

5、波在时间轴上相交时，令正弦调制波的零点与三角载波的顶点同相位，所得交点为时间意义上的相位角和对应的瞬时幅值，交点间的相位区间段表示以正弦部分为有效输出的矩形脉冲。按照SPWM控制的基本思想，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不相同。另外当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地计算出正弦波和三角波的交点。图1 自然采样法生成SPWM波形图中为三角波的周期，为三角波的高，正弦波为，称为采样周期，。由图可知：利用三角形相似关系，解

6、出a，b。并带入左式得：其中，为正弦波幅值对三角波幅值之比，称为调幅比，。M值越大，则输出电压也越高。为正弦波角频率，改变，则PWM脉冲列基波频率也随之改变。、为正弦波与三角波两个相邻交点的时刻。脉冲宽度为这是一个超越函数，其中、不但与载波比（T为正弦波的周期）有关，而且是调幅比M的函数，求解、与M的关系要花费很多时间。b 规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近于自然采样法，但计算量却比自然采样法小的多。规则采样法中采用三角波作为载波。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波中点（即负峰点）重合。规则采样法却使两者重合，即使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点对称，这

7、样就使计算大为简化。图2是此方法的示意图。图2 规则采样法产生SPWM波形在图2的三角波负峰时刻对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直接和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻和B点时刻控制功率开关器件的导通或关断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。从图2中可得到以下关系式：由此可得在三角波一个周期内，脉冲两边的间隙宽度。对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相SPWM波形。通常三相的三角波载波是公用的，三相正弦调制波依次相差相位。设在同一个三角波周期内三相的脉冲宽度分别为，间隙宽度分别为，由于在同一时刻，三相正弦调制波电压之和为零，故可得：由

8、上述两式可简化生成三相SPWM波形时的计算。 以上两种方法均只适用于同步调制方式中. 4）低次谐波消去法 低次谐波消去法是以消去PWM波形中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，首先确定基波分量的值，再令两个不同的，就可以建立三个方程，联立求解得，及，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。 5）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

9、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。 3 生成SPWM波的基本原理由于正弦交流量是典型的模拟量，传统发电机难以完成高频交流电流输出，而功率半导体器件于模拟状态工作时产生的动态损耗剧增，于是，用开关量取代模拟量成为必由之路，并归结为脉冲

10、电路的运行过程，从而构成了运动控制系统中的功率变换器或电源引擎。典型的单相电压型全桥逆变电路如图3所示。图3 典型的单相电压型全桥逆变电路它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通。其输出电压的波形和半桥电路的波形形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。对角联动的两个开关器件和与之对应的另一组对角桥臂同时实施交替的开关作业时，建立运行后，流经负载的电流波形如图4所示。图4单相桥式逆变电路电流波形在交流应用场合，多数负载要求输入的是正弦波电流。电工学认为，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分

11、量的集合，或者是非正弦波也可以分解为相位差和频率不同的正弦波以及直流分量。不良波形或失真严重的正弦交流量必然产生大量的低次、高次及分数谐波，丰富的谐波分量与基波叠加的情景使得正负峰值几乎同时发生，换向突变时急剧的运动状态将对负载造成冲击并导致负载特性的不稳定或漂移，又加重了滤波器件的负担，损耗也随之增大，非但降低了电网的功率因数，还对周边设备造成不良影响。在高频化和大功率电力变换场合，装置内部急剧的电流变化，不但使器件承受很大电磁应力，并向装置周围空间辐射有害电磁波污染环境，这种电磁干扰还会引发周围设备的误动作及造成电能计量紊乱。抑制谐波和EMI的防御仍为重要课题或技术指标。 可见，简单的方波

12、在功率应用场合下显示出了不尽如人意的一面。当然，在不触及负载特性、能量转换效率、环境污染和系统综合技术指标以及小功率应用场合的前提下，就控制方法而言则显得容易些。4 SPWM波的产生电路4.1 SPWM波的产生产生SPWM脉冲，采用最多的载波是等腰三角波；因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，如图5所示。图5 SPWM波形的产生4.2 SPWM波产生的电路举例4.2.1 利用LM311生成SPWM信

13、号1）电路组成及结构原理分析电路主要由正弦波和三角波发生电路和控制电路组成。电路中所用到的元器件主要有ICL8038，运算放大器LF353，比较器LM311组成。2）正弦信号产生正弦波电压由函数发生器ICL8038产生。正弦波的频率由，和C来决定，为了调试方便，我们将及都用可调电阻，和是用来调整正弦波失真度用的。在实验中我们测得当f=50Hz时，=9.7k，其中C=0.22F。 图6 ICL8038用于正弦信号产生3）控制电路分析当电路开始工作，首先由ICL8038产生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可调电阻来控制，得到的波可以通过LF353运算放大器构成的反相电路进行反向，得到方向相

14、反的正弦波，正弦波与三角波信号通过LM311比较芯片产生SPWM脉冲，如图7。图7 SPWM波脉冲产生电路4.2.2利用SG3524生成SPWM信号根据SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必须得有一个幅值在13.5V，按正弦规律变化的馒头波，将它加到SG3524-2内部，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波。我们设计的控制电路框图，如图8所示。 图8 控制电路框图正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到馒头波，另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相位的方波。与1V基准经过加法器后得到，输入到SG3524-2的脚1，脚2与脚9相连，这和锯齿波将在SG3524-2内部的比较器进行比较

15、产生SPWM波。分相电路用一块二输入与门74LS08和一块单输入非门74LS05所组成。和加到分相电路后就可以得到驱动信号和，再将和加到MOS管驱动电路的光耦原边，就可以实现正弦脉宽调制。 结束语通过这次课程设计，我觉得它有助于加强我动手、思考和解决问题的能力。具体而言，这一周的课程设计的收获如下。加强了对已学知识的掌握，做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了SPWM波的生成和基本原理，并且对于其在实际中的应用有了更多的认识。通过此次设计，我发现自己可以的将课本上的知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的更好理解。此次设计锻练了我个人的自主学习能力。在实验中，我们运用到了多款软件，对于这些软件，我能够充分利用图书馆以及计算机网络去查阅和学习相关资料，增加了许多课本以外的知识，也对其的基本操作有了充分的理解，此外这种学习能力还包括根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料的能力。同时，这次课程设计业让我明白了理论知识的重要性，如果没有扎实的理论基础，再