SPWM控制的基本原理

    由前面的分析可知，无论是电压型单相半桥、全桥逆变电路，还是电压型三相全桥逆变电路，负载上的电压波形都不是正弦波。而实际中期望逆变器能够变压变频，且负载上的电压波形应该为正弦波。因为一些交流负载，比如交流异步电机，需要供电电压为正弦。    SPWM控制技术就是通过控制逆变器的功率开关管，使其按照一定规律导通或者关断，在输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形，这些电压波形作用在负载上与正弦电压等效的控制技术。SPWM控制技术的思想来源于通信领域，现已广泛应用于变频技术领域。    根据采样控制理论的重要原理——冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于具有惯性的环节上时，其效果基本相同。窄脉冲的冲量是指其在时间轴上的积分，即面积。效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶分析，则会发现它们的低频段几乎一样，仅在高频段略有差异。此原理称“冲量等效原理”，是PWM技术的理论基础。PWM(Pulse Width Modulation)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的控制技术。    下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。首先把正弦半波分成N等份（每份的底部长度相等）。这样就可以把正弦半波看作是Ⅳ个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等而幅值不等。如果将上述脉冲列用数量相同的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使对应的矩形脉冲和原来的脉冲中点重合且面积相等，这样就得到了和原来正弦半波等效的PWM波形，如图3.34所示。对于正弦半波的负半波，也可以用同样的方法得到等效的PWM波。显然，根据冲量等效原理，根据以上方法，任意形状的波形都可以获得与其等效的PWM波。和正弦波等效的PWM波通常称为SPWM波。
    图3.34    用PWM波代替正弦半波    常见的SPWM波在形式上有两种，即三电平式SPWM波形和两电平式SPWM波，如图3.35所示。
    图3.35    两电平和三电平式PWM波    三电平式SPWM波在整个波形中有3种电平：正电平、零电平和负电平，正负电平的幅度相等。有正电平的半周期等效于正弦波的正半周期，有负电平的半周期等效于正弦波的负半周期。    两电平式SPWM波在对应于正弦波的每个半周期都是双极性跳变的脉冲序列，在正负两个电平间跳变。这种脉冲序列的脉宽按照正弦规律变化，即正负脉冲的平均面积按照正弦规律变化，如图中虚线所示，符合冲量等效原理。图3.35所示为示意图，每个周期中就有几个脉冲。在应用中，无论是三电平式SPWM波形还是两电平式SPWM波形，每个周期中的脉冲数都很多。SPWM波的每个周期中包含的脉冲数越多，越能更好地等效正弦波，谐波成分的幅度越小；但这样也要求开关管的开关频率要高一些，器件发热也会加重。