正弦脉宽调制spwm波的基本要素

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1、正弦脉宽调制波的基本要素正弦脉宽调制（SPWM）波的基本要素江苏省常熟市吴栋梁朱传裕摘要：本文以电工学正弦理论为基础；以经典的自然采样法为依托；以电子变流技术为研究对象，全面阐述了SPWM波的基本特征与个性，旨在为实验及测试提供规范的参照基准并回归于应用数学。关键词：正弦波；载波比；等幅调制；频带；相位差；渐变斜角调制。7正弦脉宽调制波的基本要素1前言电源应用的变革确立了脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）即PWM技术的重要地位，并且赋予了电子变流技术强大的生命力，产品几乎涵盖了所有的开关电源、斩波

2、器及电流变换器等领域。始于1975年推广应用正弦脉宽调制（SinusoidalPWM简称SPWM）以来，经多年研究发展的历程，正弦逆变技术也渐趋成熟而服务于广泛的交流应用场合，涉及民用、商用、军用及科研四大板块，人们也真实的感受到系统性能的改善、能源转换效率的提高和电磁污染的减少或净化，也为应用的持续发展奠定了坚实的基础，并且越来越多的与其他科学领域相互关联、相互交叉和相互渗透，继而应用系统逐渐朝高性能、高效率、大功率、高频化和智能化的方向发展，同时随着工程发展的日益需求，对逆变系统提出了更高的要求。2生成SPWM波的

3、基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H桥逆变电路很容易理解（图1a），图1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，流经负载的电流即为交流电流（图1b），考虑到功率器件关断时的滞后特性避免造成短路，通常都做成（图1c）的波形结构。显然开关器件输出的是方波（矩形波）交流电流。

4、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

5、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（ElectroMagneticInterference简称EMI）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。自然采样法是一种基于面积等效理念的能量转换形式，其原理极为简单而且直观，并具备十分确切的数理依据，通用性及可操作性

6、也很强。当正弦基波与若干个等幅的三角载波在时间轴上相遇时，并令正弦波的零点与三角波的峰点处于同相位（图2a），所得的交点（p）表达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群（图2b）。7正弦脉宽调制波的基本要素图2由此，SPWM波的基本概念是每一周期的基波与若干个载波进行调制（载波的数量与基波之比即为载波比），并依次按正弦函数值定位的有效相位区间集合成等幅不等宽且总面积等效于正弦量平均值的正弦化脉冲序列。对应于正弦量的正负半周，实施双路调制或单路分相处理及放大后，控制驱

7、动功率开关器件运行，最终得正弦化交流量的样本波形如（图3）所示，滤波后流经负载的电流即为正弦波电流。图32.1调制过程特征由电工学可知，正弦波方程表示为：式中：瞬时值；：正弦波的最大值；：角频率（等于2ƒ）；：随时间而变的电气角；：相位角（t=0时的相位角为初相角）。由（图2）可知，正弦基波的零点和三角载波的峰点与时间起点相重合，故初相角为０，当最大值为1，最小值为-1或剔除所有无效变量后，正弦方程将简化为单纯的正弦曲线：＝sin（）（1）其中:：正弦曲线与某一直线交点的瞬时值；（）：正弦曲线与某一直线交点的相位角。核

8、对其／２处的最大瞬时值仍然为1（负半周为－1），显然，正半周期内幅值区间的上下限分别为（１，０）；正半周相位区间内的上下限分别为（，０）。从而在纯坐标条件下，调制仅为坐标区间数量的关系而与时间或频率无关。由（图2）可知，形似等腰三角形的三角载波是由许多直线相交叉形成的，因为交叉点以外的线段处于无效区间，所以不具备调制的一般意义。由