課程設(shè)計(jì)---spwm波生成方法探討

1、<p>　　SPWM波生成方法探討</p><p><b>　　1 PWM控制技術(shù)</b></p><p>　　PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。調(diào)制：將一個(gè)波形（調(diào)制參考波）信號(hào)的有關(guān)信息加到另一個(gè)波形上（載波）。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最

2、為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路?？梢哉fPWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。</p><p>　　2 SPWM控制技術(shù)</p><p>　　SPWM就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，

3、比如高級(jí)一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。</p><p>　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波

4、形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。 </p><p><b>　　1）等面積法 </b></p><p>　　該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各

5、脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 </p><p><b>　　2）硬件調(diào)制法 </b></p><p>　　硬件調(diào)制法是為解決

6、等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。 </p>&

7、lt;p><b>　　3）軟件生成法 </b></p><p>　　由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。</p><p><b>　　a 自然采樣法 </b></p><p>　　

8、自然采樣法是一種基于面積等效的能量轉(zhuǎn)化形式，其基本原理如下：當(dāng)正弦調(diào)制波與等幅的三角載波在時(shí)間軸上相交時(shí)，令正弦調(diào)制波的零點(diǎn)與三角載波的頂點(diǎn)同相位，所得交點(diǎn)為時(shí)間意義上的相位角和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)幅值，交點(diǎn)間的相位區(qū)間段表示以正弦部分為有效輸出的矩形脈沖。</p><p>　　按照SPWM控制的基本思想，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)其

9、值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不相同。另外當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時(shí)，各脈沖寬度也相應(yīng)變化。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地計(jì)算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。</p><p>　　圖1 自然采樣法生成SPWM波形</p><p>　　圖中為三角波的周期，為三角波的高，正弦波為，稱為采樣周期，。由圖可知：</p><p>　　利用三角形相似關(guān)系，解出a，b。

10、并帶入左式得：</p><p>　　其中，為正弦波幅值對(duì)三角波幅值之比，稱為調(diào)幅比，。M值越大，則輸出電壓也越高。為正弦波角頻率，改變，則PWM脈沖列基波頻率也隨之改變。、為正弦波與三角波兩個(gè)相鄰交點(diǎn)的時(shí)刻。脈沖寬度為</p><p>　　這是一個(gè)超越函數(shù)，其中、不但與載波比（T為正弦波的周期）有關(guān)，而且是調(diào)幅比M的函數(shù)，求解、與M的關(guān)系要花費(fèi)很多時(shí)間。</p><p&

11、gt;<b>　　b 規(guī)則采樣法 </b></p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，它的效果接近于自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小的多。規(guī)則采樣法中采用三角波作為載波。在自然采樣法中，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合。規(guī)則采樣法卻使兩者重合，即使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)對(duì)稱，這樣就使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。圖2是此方法的示意圖。</p>&

12、lt;p>　　圖2 規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波形</p><p>　　在圖2的三角波負(fù)峰時(shí)刻對(duì)正弦調(diào)制波采樣而得到D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直接和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻和B點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。可以看出，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。</p><p>　　從圖2中可得到以下關(guān)系式：</p><p>

13、<b>　　由此可得</b></p><p>　　在三角波一個(gè)周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度。</p><p>　　對(duì)于三相橋式逆變電路來說，應(yīng)該形成三相SPWM波形。通常三相的三角波載波是公用的，三相正弦調(diào)制波依次相差相位。設(shè)在同一個(gè)三角波周期內(nèi)三相的脈沖寬度分別為，，，間隙寬度分別為，，，由于在同一時(shí)刻，三相正弦調(diào)制波電壓之和為零，故可得：</p>&l

14、t;p>　　由上述兩式可簡(jiǎn)化生成三相SPWM波形時(shí)的計(jì)算。 </p><p>　　以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中. </p><p>　　4）低次諧波消去法 </p><p>　　低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開，表示為，首先確定基波分量的值，再令兩個(gè)不同的，就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立求

15、解得，及，這樣就可以消去兩個(gè)頻率的諧波。 </p><p>　　該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn)。該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中。 </p><p>　　5）梯形波與三角波比較法 </p><p>　　前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利

16、用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86.6%。因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法—梯形波與三角波比較法。該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制。 </p><p>　　由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí)，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率。但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中

17、含有5次，7次等低次諧波。 </p><p>　　3 生成SPWM波的基本原理</p><p>　　由于正弦交流量是典型的模擬量，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以完成高頻交流電流輸出，而功率半導(dǎo)體器件于模擬狀態(tài)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗劇增，于是，用開關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖電路的運(yùn)行過程，從而構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器或電源引擎。</p><p>　　典型的單相電壓

18、型全橋逆變電路如圖3所示。</p><p>　　圖3 典型的單相電壓型全橋逆變電路</p><p>　　它共有4個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂1和橋臂4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通。其輸出電壓的波形和半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。</p><p>　　對(duì)角聯(lián)動(dòng)的兩個(gè)開關(guān)器件和與之

19、對(duì)應(yīng)的另一組對(duì)角橋臂同時(shí)實(shí)施交替的開關(guān)作業(yè)時(shí)，建立運(yùn)行后，流經(jīng)負(fù)載的電流波形如圖4所示。</p><p>　　圖4　單相橋式逆變電路電流波形</p><p>　　在交流應(yīng)用場(chǎng)合，多數(shù)負(fù)載要求輸入的是正弦波電流。</p><p>　　電工學(xué)認(rèn)為，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為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。&l

20、t;/p><p>　　不良波形或失真嚴(yán)重的正弦交流量必然產(chǎn)生大量的低次、高次及分?jǐn)?shù)諧波，豐富的諧波分量與基波疊加的情景使得正負(fù)峰值幾乎同時(shí)發(fā)生，換向突變時(shí)急劇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將對(duì)負(fù)載造成沖擊并導(dǎo)致負(fù)載特性的不穩(wěn)定或漂移，又加重了濾波器件的負(fù)擔(dān)，損耗也隨之增大，非但降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，還對(duì)周邊設(shè)備造成不良影響。</p><p>　　在高頻化和大功率電力變換場(chǎng)合，裝置內(nèi)部急劇的電流變化，不但使器件承受

21、很大電磁應(yīng)力，并向裝置周圍空間輻射有害電磁波污染環(huán)境，這種電磁干擾還會(huì)引發(fā)周圍設(shè)備的誤動(dòng)作及造成電能計(jì)量紊亂。抑制諧波和EMI的防御仍為重要課題或技術(shù)指標(biāo)。 </p><p>　　可見，簡(jiǎn)單的方波在功率應(yīng)用場(chǎng)合下顯示出了不盡如人意的一面。當(dāng)然，在不觸及負(fù)載特性、能量轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境污染和系統(tǒng)綜合技術(shù)指標(biāo)以及小功率應(yīng)用場(chǎng)合的前提下，就控制方法而言則顯得容易些。</p><p>　　4

22、 SPWM波的產(chǎn)生電路</p><p>　　4.1 SPWM波的產(chǎn)生</p><p>　　產(chǎn)生SPWM脈沖，采用最多的載波是等腰三角波；因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形，如圖5所示。<

23、/p><p>　　圖5 SPWM波形的產(chǎn)生</p><p>　　4.2 SPWM波產(chǎn)生的電路舉例</p><p>　　4.2.1 利用LM311生成SPWM信號(hào)</p><p>　　1）電路組成及結(jié)構(gòu)原理分析</p><p>　　電路主要由正弦波和三角波發(fā)生電路和控制電路組成。電路中所用到的元器件主要有ICL8038，運(yùn)

24、算放大器LF353，比較器LM311組成。</p><p><b>　　2）正弦信號(hào)產(chǎn)生</b></p><p>　　正弦波電壓由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。正弦波的頻率由，和C來決定，，為了調(diào)試方便，我們將及都用可調(diào)電阻，和是用來調(diào)整正弦波失真度用的。在實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)得當(dāng)f=50Hz時(shí)，＋=9.7kΩ，其中C=0.22μF。</p><p>

25、　　圖6 ICL8038用于正弦信號(hào)產(chǎn)生</p><p><b>　　3）控制電路分析</b></p><p>　　當(dāng)電路開始工作，首先由ICL8038產(chǎn)生的正弦波和三角波，正弦波和三角波的幅值由可調(diào)電阻來控制，得到的波可以通過LF353運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相電路進(jìn)行反向，得到方向相反的正弦波，正弦波與三角波信號(hào)通過LM311比較芯片產(chǎn)生SPWM脈沖，如圖7。<

26、/p><p>　　圖7 SPWM波脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　4.2.2利用SG3524生成SPWM信號(hào)</p><p>　　根據(jù)SG3524的工作原理，要得到SPWM波，必須得有一個(gè)幅值在1～3.5V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524-2內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。我們?cè)O(shè)計(jì)的控制電路框圖，如圖8所示。 </p>&l

27、t;p>　　圖8 控制電路框圖</p><p>　　正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到饅頭波，另一路經(jīng)過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波。與1V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到，輸入到SG3524-2的腳1，腳2與腳9相連，這和鋸齒波將在SG3524-2內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波。分相電路用一塊二輸入與門74LS08和一塊單輸入非門74LS05所組成。和加到分相電路后就可以得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)和，再將

28、和加到MOS管驅(qū)動(dòng)電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我覺得它有助于加強(qiáng)我動(dòng)手、思考和解決問題的能力。具體而言，這一周的課程設(shè)計(jì)的收獲如下。</p><p>　　加強(qiáng)了對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握，做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課

29、間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我了解了SPWM波的生成和基本原理，并且對(duì)于其在實(shí)際中的應(yīng)用有了更多的認(rèn)識(shí)。通過此次設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己可以的將課本上的知識(shí)可以應(yīng)用于實(shí)際，使得理論與實(shí)際相結(jié)合，加深了自己對(duì)課本知識(shí)的更好理解。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)鍛練了我個(gè)人的自主學(xué)習(xí)能力。在實(shí)驗(yàn)中，我們運(yùn)用到了多款軟件，對(duì)于這些軟件，我能夠充分利用圖書館以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)去查閱和學(xué)習(xí)

30、相關(guān)資料，增加了許多課本以外的知識(shí)，也對(duì)其的基本操作有了充分的理解，此外這種學(xué)習(xí)能力還包括根據(jù)課題需要選擇參考書籍，查閱手冊(cè)、圖表等有關(guān)文獻(xiàn)資料的能力。</p><p>　　同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)業(yè)讓我明白了理論知識(shí)的重要性，如果沒有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，再怎么談實(shí)踐都是空話，所以要求我們要有刻苦鉆研的精神，總而言之，這次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)<

31、/b></p><p>　　[1] 楊蔭福，段善旭，朝澤云. 電力電子裝置及系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[2] 李發(fā)海，王巖. 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，2009</p><p>　　[3] 黃忠霖. 電工學(xué)的MATLAB實(shí)踐. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[4] 阮