改进的正弦脉宽调制（spwm）控制算法综述

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1、改进的正弦脉宽调制（SPWM）控制算法综述董彦敏，谭智力，姜钰梁（中国地质大学机械与电子信息学院，湖北武汉430074）摘要：正弦脉宽调制（SPWM）是逆变电路常采用的调制方法。合理的采用SPWM控制算法，能够减少逆变电路的低次谐波含量，降低总谐波系数（THD）,提高直流电压的利用率，对改善逆变电路的输出性能具有重要意义。本文在介绍正弦脉宽调制（SPWM）基本原理的基础上，根据目前SPWM波形主要由各种微处理器在软件支持下产生的特点，对一些改进的算法进行研究，详细分析了面积中心等效法、切线法、峰值型采样方式几种典型的改进控制算法，并讨论了各自的优缺点探讨

2、了这些方法在不同领域的应用。关键字：正弦脉宽调制;SPWM;改进;控制算法中文分类号：TM921脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）技术通常简称为PWM技术，是指通过对一系列的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术[1][2]。1964年A.Schonung等人率先把通信系统中的调制概念推广应用于变频调速系统，为现代逆变技术的实用化和发展开辟了崭新的道路。经过40多年的发展，PWM技术日益成熟。随着微处理器技术的飞速发展，数字化PWM技术又为传统的PWM技术注入了新的内涵，使得PWM方法和实现不断优化和翻新。其中正

3、弦波PWM（SPWM）由于具有输出谐波小，结构简单等特点是现代变频调速系统中应用最为广泛的脉宽调制方式【3】。所谓的SPWM控制方式指的是通过改变PWM输出脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波的控制方式。几十年来。许多学者对SPWM控制算法进行研究，传统的SPWM法有许多优点，但也有许多缺点，主要是直流电压利用率低、谐波含量大、开关频率高。改进型SPWM算法往往根据特定目的而设计，例如消除谐波，在保证波形对称的前提下，尽量提高电源的利用率，以保证设计的产品适应宽电压范围工作等[4]。本文分析了正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理，总结了几种典型的改进控制

4、算法，讨论了它们各自的优缺点。以便在不同应用领域有正确的选择。1正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理正弦脉宽调制（SPWM）方法的理论基础是冲量等效定理——大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要他们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。在图1中（a）为正弦电压，（b）为与其冲量等效的窄方波脉冲电压，因此可以用一种调制方法来控制开关管的通断，使负载两端产生的如图1（b）中所示的窄脉冲电压，其对负载作用的效果与图1（a）中的正弦电压对负载作用的效果相同，这种调制方法就是SPWM调制。目前，正弦脉宽调制（SPWM）通常采用专用脉宽调制处理

5、芯片来完成，产生SPWM波形的理论和方法多种多样。比较传统的方法有自然采样法、规则采样法、等面积法等。自然采样法是最理想的采样方法，但需要计算关于脉冲宽度的超越方程，数字控制难以实现；规则采样法用近似计算式代替自然采样法的超越方程，计算复杂程度较低，但谐波含量大，等面积法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点，调制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择又受元件频率特性的限制[5-14]。2改进SPWM控制算法针对传统控制算法出现的问题，国内外很多学者进行了研究，至今已取得了多项成果，下面介绍几种典型的改进的控制方法。2.1面积中心

6、等效法以单极性面积中心等效法为例。此方法根据面积等效原理，把一正弦半波平均分成N等份（如图2所示，N=6），然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，若将矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的面积中心点重合（如图2所示），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，同样正弦半波的负半周也可用同样的方法来等效。显然这一系列的脉冲波形的宽度和开关时刻可以严格地用数学方法计算得到。双极性面积中心等效法与单极性面积中心等效法类似[15-17]。这种方法谐波含量低，但计算复杂不利于数字系统实现。2.2切线法基于切

7、线技术的SPWM控制算法实质上是对自然采样法的一次迭代[18]。以双极性的SPWM切线技术算法为例，方法如下（如图3所示）:在三角波负峰值时采样正弦波，过采样点作正弦波的切线与相邻的三角载波两边分别交于1、4两点，两个交点间的区段对应于开管道通区间。图3中1、4代表切线与载波的交点,2、3代表调制波与载波的交点。它具有谐波特性分布更为集中,谐波含量低，易于数字化实现等特点[19].2.3峰值型采样方式本方法进一步改善不对称规则采样法，使采样相交点更接近自然采样的交点，它是在每个三角载波周期的正峰值E和F处对正弦调制波进行采样（如图4），其水平延长并与三角

8、波相交于A,B和C,D两点，从而确定出高电平脉冲的起始时刻tB、关断时刻tC和对