pwm正弦脉宽调制基本介绍

1. 何为交流脉宽调制

交流脉宽调制是建立在直流脉宽调制基础上的通过一定的方式（载波和调制波，后面 讲到）将正弦波改为幅值相等，而占空比有规律变化的方波来进行的对交流的调制。

基本工作原理是先将50Hz交流电经整流变压器变压得到所需电压，经二极管不可控交 流和电容滤波，形成恒定直流电压，而后送入由大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相电压和频率均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波)，即可拖动三相电机运转。

2. 交流脉宽调制的基本原理

以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。如图1所示

ua)uucurOOuttuouofb)uoUdO图6-3tO-Udt图6-18 PWM调制原理

图1 图2

矩形波的面积按正弦规率变化。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 于是得到以下正弦波的调制原理图。如图2所示。

3. 交流脉宽调制的控制方式

图2重所示的三角波是在正弦波的半个周期内出现相同的正极性或负极性的。不难想象，如果三角波在正弦波的半个周期内即有正又有负这样便使得得到的矩形波在正负范围内都有。于是引入单极性、双极性的控制方式。

如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得 的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如图3 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。如图4

uucuruurucOtuouofOtuoUduoUdO-UduofuoO-Udtt

图3 图4

4. 交流脉宽调制的技术要点

采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制。如图5

图5

图中比较器的A端输入正弦交流信号（前面讲的调制波）；B端输入三角波信号（如前所述的载波）；经过比较器比较由采样法则得出当A＞B时输出高电平的信号,如果A＜B,则输出为低电平信号。于是就产生了方波。

采样原理：三角波两个正峰值之间，为一个采样周期Tc每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，如图6给出的原理图中所示

uTcuDBurcurMsinrtAOtAtDtBt22uo'O't

图6-12 图6

正弦波信号

式中，M 称为调制度，0 ≤a <1；r为信号波角频率。从图中可得

于是通过这样的采样方式和计算公式，便可以用计算机实现SPWM控制方式。

5． 调制方法

通过改变调制波的频率和幅值，来改变输出的频率和幅值。首先引入载波比这样一 个概念。

载波比 ——-载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr。

根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。具体方法是，将载波频率固定，而调制波频率变化，这样载波比就是变化的，所以称为异步调试。他的特点是在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；当调制波频率较低时，载波比较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当调制不频率增高时，载波比减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。

同步调制——载波比等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。具体方法是，保持载波比不变而改变调制波频率，于是为了保持载波比需要将载波频率改变，信号波一种普期内输出的脉冲个数是固定的。他的特点是当调制波频率很低时，载波频率也很低，由调制

带来的谐波不易滤除；当调制波频率很高时，载波频率会过高，使开关器件难以承受。

以上讲的都是单相的PWM调制，用于实际于是就扩充为三项的如图7

urUurVurWuucOtuUN'Ud2Ud20tuVN'0uWN'0tt

图7

6. 交流脉宽调制的特点

正弦波脉宽调制(SPWM)变频器结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电机可在近似于正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，因此，在数控机床的交流驱动中广泛使用。

参考文献

（1） 陈伯时 《电力拖动自动控制系统》 机械工业出版社 2003 （2） 严殊 《运控教学课件》 西南科技大学 2009