专家解析：SPWM工作原理透彻分析

1.1 SPWM工作原理

对于电压型逆变器来说需要解决的一个关键问题是如何根据给定的参考量发出PWM开关信号。三种调制方式中，方波控制存在占空比不可调，调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点，应用较少；SVPWM调制主要用于电动机调速；SPWM (Sinusoidal PWM)法是一种使用较广泛的PWM法，本文就以其为调制方法，进行逆变器的分析和研究。

1.1.1 SPWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。即当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

把图2-1a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图2-1b所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。2.1.2 PWM 波的生成方法。SPWM波的控制分为计算法和调制法。计算法是给出了逆变电路的正弦波输出频率、

幅值和半个周期内的脉冲数，SPWM波形中各脉冲的宽度和时间间隔可以准确计算出来。按照计算的结果控制逆变电路中各个开关器件的通断，以便得到所需要的PWM波。调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。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，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。在实际应用中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，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。

由于计算法较繁琐，计算量大，较少使用。而模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现。下面介绍几种常用的用软件生成SPWM波形的算法，并分析它们的特点 。

1 自然采样法

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，称为自然采样法。正弦波在不同相位角时值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度不同。可知这种算法计算量比较大，需花费较多的时间，因而难以在微处理器中实现。