电驱动系列：四十二、正弦脉冲宽度调制介绍（SPWM）

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42.1 定义


调制（modulation）：来源于信息传输技术，对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程称为调制。主要有以下调制技术：



图42.1 调制的分类

PWM即为模拟调制技术的一种，是Pulse Width Modulation的缩写，即脉冲宽度调制，简称脉宽调制。

调制过程中一般有三个信号：调制波、 载波、输出波，三者的关系为：调制波+载波=输出波；

在采样控制理论中有这样一个理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果（输出的响应波形）基本相同。假设脉冲信号为f(t)，则冲量指的是f(t)dt，即图42.2中绿色区域的面积S。


图42.2 冲量（面积S）相等但形状不同的三个窄脉冲信号

电机的绕组在电路中充当电感的作用，而电感在通交流电时具有“惯性”的特点，因此可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦波，这种方法称为SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation），即正弦脉宽调制；

    SPWM的控制目标：使输出的电流或电压尽量接近正弦波，从而给电机供电。



图42.3 正弦波的等效

图42.3中取了正弦波的一半，将正弦半波沿t轴N等分，可以获得N个面积（冲量），这N个面积等宽不等幅；直流电的特点为等幅，因此我们使用N个等幅不等宽、中点重合、面积相等、宽度按正弦规律变化的N个矩形脉冲来代替，其效果与正弦半波类似。正弦波的负半段类似。若要改变等效输出正弦波的幅值，按照同一比例改变各矩形脉冲宽度即可。

42.2 SPWM的实现方式及过程

实现方式：以等腰三角形载波和参考正弦波的相交关系，可以产生SPWM调制波。

实现过程：每个矩形脉冲开始至结束即为开关元件导通时间，由各个桥臂的控制电路发送on，其他时间为低电平0，发送off；由on/off的时间宽度来控制导通及关闭时间；

PWM这一控制信号的发生采用三角波比较法来实现（见图42.5），其实现方法如下：使用三个互差120°的调制波与三角载波进行比较，当正弦波的电平高于三角载波时，发送on信号，低于三角载波则发送off。

需要指出的是，在模拟电路时代使用上述方法获得SPWM波，由于软硬件技术的进步，目前使用空间矢量法控制较多。



图42.3 逆变器内部原理图



图42.4 SPWM的控制逻辑



图42.5 SPWM波的产生机理

42.3 死区效应

由于同一相上下桥臂上开关器件不能同时导通，否则会发生短路；而每一个IGBT从截止状态到饱和导通状态，又从饱和导通状态到截止状态都需要时间，在交替导通过程中，如果原来导通的IGBT尚未完全截止，而另一个IGBT开始导通，此时上下桥臂会出现短路现象，因此需要在一个IGBT的截止指令和另一个IGBT的导通指令之间必须留有死区时间，且死区时间必须大于关断时间，这样能够避免短路的发生。

使用上下错位的双层三角波，若使用上层三角波产生的脉冲去控制上桥臂，则使用下层三角波产生的脉冲波控制下桥臂，即可获得必要的死区时间，若调节两三角波上下错位的程度，则可以自由调整死区时间。


图42.6 死区时间示意图

42.4 SPWM中的几个重要概念



占空比：指脉冲信号的通电时间与通电周期之比。在一串理想的脉冲周期序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值，占空比是一个瞬时周期概念。


图42.7 过调制

42.5 电机转矩及转速的调节

在电机的SPWM控制中，脉冲的面积（占空比）是衡量电机转矩的一个重要指标，下图中是在相同的频率下，不同转矩的情况（可以通过调节调制比来实现）：


图42.8 电机转矩的控制

频率调制：通过改变正弦调制波的频率fs，实现供电电压或电流频率的调节，也可以改变电机的转速。

因此SPWM即可以调节电机的扭矩，又可以实现转速的调节。

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作为汽车工程师，针对您提供的关于正弦脉冲宽度调制（SPWM）的介绍，我给出以下专业回复：

SPWM是PWM的一种改进形式，其核心技术在于通过正弦波调制信号控制脉冲宽度，达到更好的电源输出效果。它运用特定的算法生成PWM信号，使输出波形更接近于正弦波，从而减小谐波分量，提高电能利用率和系统效率。SPWM广泛应用于电机驱动、电源逆变等领域。调制过程中涉及调制波、载波和输出波，其关系复杂且精确。在实际应用中，SPWM可实现高效、稳定的电力转换与控制。图42.1展示了调制的分类，有助于更好地理解SPWM在调制技术中的地位和作用。

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针对您提供的关于正弦脉冲宽度调制（SPWM）的内容，以下是专业的回复：

SPWM是PWM的一种改进技术，它利用正弦波作为调制波，对载波进行调制。其核心思想是通过改变脉冲的宽度，使输出波形接近正弦波。SPWM具有降低噪音、提高效率和改善系统性能等优点。在实际应用中，SPWM广泛应用于电机控制、电源管理等领域。调制过程中涉及调制波、载波和输出波的关系，其中调制波采用正弦波，通过调制使得输出波形更为平滑。此外，采样控制理论中的冲量相等理论在SPWM中也有应用，使得输出响应波形更加稳定。随着电力电子技术的发展，SPWM将在更多领域得到应用。

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针对您提供的关于正弦脉冲宽度调制（SPWM）的内容，以下是专业回复：

SPWM是一种PWM调制技术的改进形式，其定义是基于正弦波形的脉冲宽度调制技术。其核心思想是通过改变脉冲的宽度和频率，使输出波形接近正弦波。在调制过程中，涉及到调制波、载波和输出波的关系。SPWM常用于电机驱动等应用中，可以实现高效率、低噪音和优良的转矩控制。相较于传统的PWM技术，SPWM在电机性能优化方面表现更为出色。在实际应用中，SPWM技术有助于提高系统的性能和稳定性。图42.1所示为调制分类的一种示意，有助于理解调制技术在不同领域的应用。针对您提到的采样控制理论中的冲量原理，它正是SPWM技术的理论基础之一，对于理解和应用该调制技术具有指导意义。

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