第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法
电机控制实验二：正弦脉宽调制(SPWM)变频调速系统
课程名称：电机控制指导老师：成绩：实验名称：正弦脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1.加深理解自然采样法生成SPWM波的机理和过程2.熟悉SPWM变频调速系统中直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路之间的连接3.了解SPWM变频器运行参数和特性二、实验内容和原理1.实验内容（1）用SPWM变频器驱动三相异步电动机实现调速运行（2）改变调制方式，观察变频器调制波形、不同负载时的电动机端部电压、线电流波形（3）改变V/f曲线，观察版聘妻在不同低频补偿条件下的低速运行情况（4）改变变频调速系统的加速时间，观察系统的加减速过程2.实验原理SPWM变频调速系统主要由不控整流桥、电容滤波、直流环节电流采样（串采样电阻）、MOSFET逆变桥、MOSFET驱动电路、8031单片微机数字控制情况、控制键盘与运行显示等环节组成。
实验系统的组成如下图所示：本实验系统的性能指标如下：（1）运行频率f1可在1~60Hz的范围内连续可调（2）调制方式①同步调制：调制比F=3~123可变，步增量为3；②异步调制：载波频率f0=0.5~8kHZ可变，步增量为0.5kHZ;③混合调制：系统自动确定各运行频率下的调制比。
控制方式和运行显示控制图如下：SPWM变频器控制键盘与运行显示面板图（3）V/f曲线有4条V/f曲线可供选择，以满足不同的低频电压补偿要求，曲线如下图所示：曲线1：f1=1~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线2：f1=1~5Hz, U1=21.5Vf1=6~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线3：f1=1~8Hz, U1=34.5Vf1=9~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V曲线4：f1=1~10Hz, U1=43Vf1=11~50Hz, U1/f1=220/50=4.4V/Hzf1=51~60Hz, U1=220V（4）加速时间可在1~60s区间设定电机从静止加速到额定速度所需要的时间，10s以下步增量为1s，10s到60s步增量为5s。
正弦脉宽调制(SPWM)控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18 ylw527+关注献花(4)为了使变压变频器输出交流电压得波形近似为正弦波，使电动机得输出转矩平稳，从而获得优秀得工作性能，现代通用变压变频器中得逆变器都就是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制得，只有在全控器件尚未能及得特大容量时才采用晶闸管变频器。
应用最早而且作为pwm控制基础得就是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。
图3-1与正弦波等效得等宽不等幅矩形脉冲波序列3、1正弦脉宽调制原理一个连续函数就是可以用无限多个离散函数逼近或替代得，因而可以设想用多个不同幅值得矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。
图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅得波形(假设分出得波形数目n=12)，如果每一个矩形波得面积都与相应时间段内正弦波得面积相等，则这一系列矩形波得合成面积就等于正弦波得面积，也即有等效得作用。
为了提高等效得精度，矩形波得个数越多越好，显然，矩形波得数目受到开关器件允许开关频率得限制。
在通用变频器采用得交-直-交变频装置中，前级整流器就是不可控得，给逆变器供电得就是直流电源，其幅值恒定。
从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅得矩形波用一系列等幅不等宽得矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波得面积都相等，也应该能实现与正弦波等效得功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。
例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分得正弦曲线与横轴所包围得面积都用一个与此面积相等得矩形脉冲来代替，矩形脉冲得幅值不变，各脉冲得中点与正弦波每一等分得中点相重合，这样就形成spwm波形。
同样，正弦波得负半周也可用相同得方法与一系列负脉冲波等效。
这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效得spwm 波形称作单极式spwm。
正弦脉宽调制SPWM及其控制方法
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目 录
• SPWM简介 • SPWM原理 • SPWM控制策略 • SPWM实现方法 • SPWM性能分析 • SPWM发展趋势与展望
01
SPWM简介
SPWM的基本概念
脉宽调制（PWM）
通过调节脉冲宽度来控制输出电压或电流的幅度，以实现对模拟信号的数字化 处理。
06
SPWM发展趋势与展望
SPWM在新能源领域的应用
要点一
太阳能逆变器
要点二
风力发电系统
利用SPWM技术实现太阳能电池板的高效逆变，提高能源 转换效率。
通过SPWM控制技术，优化风力发电机的并网性能和输出 功率稳定性。
SPWM在智能电网中的应用
智能配电网
智能微电网
利用SPWM技术实现分布式能源与电网的 协调优化控制，提高电网的可靠性和稳定性。
规则采样法
总结词
规则采样法是一种简单有效的PWM控制方法，通过在每个采 样周期内规则地选择开关状态来实现正弦波的逼近。
详细描述
规则采样法根据正弦波的幅值和相位信息，在每个采样周期 内按照一定的规则选择开关状态（开或关），从而控制输出 电压的幅度和频率。这种方法实现简单，但精度相对较低。
优化PWM（OPWM）
05
SPWM性能分析
谐波分析
谐波含量
SPWM产生的脉冲信号中包含多种谐 波成分，这些谐波成分会对电网造成 污染，影响其他设备的正常工作。
谐波抑制
通过优化SPWM的控制参数，可以降 低谐波含量，提高输出信号的纯净度。
效率分析
转换效率
SPWM的转换效率取决于调制波的占空比和载波比，通过合理设置这些参数，可以提 高转换效率。
基于DSP的SPWM控制法
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1．2．1 正弦波脉宽调制SPWM逆变器结构典型的交流-直流－交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3：变压变频器主电路结构图图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压；该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC（Power Factor Correct）得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂；上桥臂上端接直流母线电压正端（DC+），下桥臂下端接直流母线参考端（DC-）；对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式：上桥臂导通时，下桥臂截止；下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载：三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载（电机），为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM（Sinusoidally PWM）技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即：功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化；对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
实验二 正弦脉宽调制(SPWM)变频调速实验
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
4、实验内容
＊ 运行频率f1=5Hz，比较研究 ① 载波频率f0=500Hz、1000Hz、2000Hz下，电机低 速运行的噪声、振动、转速平稳程度， ② 描述不同V/f曲线下的起动能力 ③ 记录f0=2000Hz时线电压/线电流波形
SPWM变频调速实验
5、实验注意
（1）操作注意 ＊ 观测电机电压、电流时注意探头公共地线接法 以U相为例
探头1
U V W
示波器探头地线
M
探头2
采样电阻
＊ 波形采集 使用示波器采集，自带拍照工具。
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
5、实验注意
（1）实验报告注意 ＊ 对实验波形，对照PWM调制理论进行分析，特别 是记录的波形 ＊ 对观察、描述的实验内容作详尽的描述、分析， 得出和符理论的结论，特别报告： ① 不同调制比对运行性能的影响 ② 低速运行平稳性与调制比关系
（2）驱动电路 脉冲变换→光电隔离→施加在MOSFET栅极
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
SPWM变频调速实验
（3）过流保护 Idc
——主电路4-5间接采样电阻，检测其上电压 ——过流后发出“OC”信号 ● 封锁驱动电路脉冲 ● MP保护电路工作，显示“OC”，并停机 解除停机，按复位键。
1. 加深理解自然采样法形成双极性SPWM的机理； 2. 熟悉SPWM变频器功率主电路、控制电路的结构和连接 关系； 3. 了解SPWM调制三种控制方式、控制参数及输出波形。
机电运动控制系统 机电运动控制系统 直流电动机的控制 SPWM变频调速
正弦脉宽调制（SPWM）控制
正弦脉宽调制（SPWM）控制正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18ylw527+关注献花(4)为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从⽽获得优秀的⼯作性能，现代通⽤变压变频器中的逆变器都是由全控型电⼒电⼦开关器件构成，采⽤脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特⼤容量时才采⽤晶闸管变频器。
应⽤最早⽽且作为pwm控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。
图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列3.1 正弦脉宽调制原理⼀个连续函数是可以⽤⽆限多个离散函数逼近或替代的，因⽽可以设想⽤多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所⽰。
图中，在⼀个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数⽬n=12)，如果每⼀个矩形波的⾯积都与相应时间段内正弦波的⾯积相等，则这⼀系列矩形波的合成⾯积就等于正弦波的⾯积，也即有等效的作⽤。
为了提⾼等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数⽬受到开关器件允许开关频率的限制。
在通⽤变频器采⽤的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。
从这点出发，设想把上述⼀系列等宽不等幅的矩形波⽤⼀系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的⾯积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。
例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每⼀等分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矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每⼀等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。
同样，正弦波的负半周也可⽤相同的⽅法与⼀系列负脉冲波等效。
这种正弦波正、负半周分别⽤正、负脉冲等效的spwm波形称作单极式spwm。
正弦脉宽调制的控制方法
正弦脉宽调制的控制方法以正弦脉宽调制的控制方法为标题，写一篇文章。
正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一种常用的调制技术，用于控制电力电子器件的输出波形。
在电力电子领域中，SPWM被广泛应用于交流调速系统、逆变器、电力变换器等设备中。
本文将介绍SPWM的工作原理、控制方法及其应用。
SPWM的工作原理是通过调节脉冲宽度的方式来控制输出电压的幅值。
当输入信号为正弦波时，通过比较器将正弦波信号与一个三角波进行比较，根据比较结果来确定输出脉冲的宽度。
当正弦波信号的幅值大于三角波信号时，输出脉冲宽度增大；当正弦波信号的幅值小于三角波信号时，输出脉冲宽度减小。
通过这种方式，可以实现对输出电压的精确控制。
SPWM的控制方法主要包括三角波发生器、比较器和滤波器。
三角波发生器产生一个稳定的三角波信号，作为参考波形；比较器将输入的正弦波信号与三角波信号进行比较，产生脉冲宽度调制信号；滤波器用于去除脉冲信号中的高频成分，得到平滑的输出波形。
在SPWM的控制中，三角波的频率和幅值是两个关键参数。
频率的选择要根据被控制设备的要求来确定，一般选择合适的频率可以减小谐波干扰。
而幅值的选择则取决于输出电压的需求，通过调节幅值可以实现输出电压的精确控制。
SPWM技术在电力电子领域具有广泛的应用。
在交流调速系统中，SPWM可以实现对电机的精确控制，提高系统的效率和稳定性。
在逆变器中，SPWM可以将直流电转换为交流电，用于驱动电机等设备。
在电力变换器中，SPWM可以将电能从一种形式转换为另一种形式，实现能量的传递和分配。
总结一下，正弦脉宽调制是一种常用的控制方法，通过调节脉冲宽度来控制输出电压的幅值。
SPWM的控制方法包括三角波发生器、比较器和滤波器。
它在交流调速系统、逆变器和电力变换器等设备中有着广泛的应用。
通过合理选择三角波的频率和幅值，可以实现对输出电压的精确控制，提高系统的效率和稳定性。
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法
第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1(2(1 正弦波脉宽调制SPWM逆变器结构典型的交流-直流,交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3: 变压变频器主电路结构图图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压;该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC(Power Factor Correct)得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂;上桥臂上端接直流母线电压正端(DC+)，下桥臂下端接直流母线参考端(DC-);对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式:上桥臂导通时，下桥臂截止;下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载:三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载(电机)，为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM(Sinusoidally PWM)技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即:功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化;对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM 信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
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第二节正弦波脉宽调制SPWM控制法1(2(1 正弦波脉宽调制SPWM
逆变器结构
典型的交流-直流,交流逆变器的结构如图2-1-3所示。
图2-1-3: 变压变频器主电路结构图
图2-1-3中，单相交流或三相交流供电经非控全波整流，变成单极性直流电压;该直流电压经有源或无源功率因素校正电路PFC(Power Factor Correct)得到直流母线电压 Udc，某些情况下功率因素校正电路可以省略。
逆变器的核心电路是由六个功率开关器件Q1-Q6构成的三相逆变桥，每个桥有上下两个桥臂;上桥臂上端接直流母线电压正端(DC+)，下桥臂下端接直流母线参考端(DC-);对于交流异步电机的驱动，为防止直通，上、下桥臂通常设置为互补工作方式:上桥臂导通时，下桥臂截止;下桥臂导通时，上桥臂截止。
三桥臂中间输出接至负载:三相感应电机的UVW输入端。
功率开关器件Q1-Q6可以是晶闸管GTO，双极性功率晶体管BJT，金属氧化膜
功率场效应管MOSFET，绝缘栅型双极性功率晶体管IGBT。
IGBT具有开关速度快、承载电流大、耐压高、管耗小等特点，在电源逆变器中得到最为广泛的应用。
对于感性负载(电机)，为了保护IGBT，常需加续流二极管D1-D6，用以在开关管关断时形成电流回路。
IGBT通常已与续流二极管封装在一起。
电容C用于能量缓冲，可保持直流母线电压Udc相对稳定。
为了在电机的UVW端线上输入三相平衡的交流电，通常做法是依一定规则用PWM信号PWM1L-PWM3H去控制逆变器的六个开关管的开关状态。
所谓的正弦波SPWM(Sinusoidally PWM)技术，就是用正弦波去调制PWM信号的脉宽，即:功率管的输出为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，其宽度依正弦波规律变化;对交流输出波形的幅度对称性及相位要求不是非常苛刻的应用来说，PWM 信号的频率通常保持不变。
这种控制策略也叫异步控制法，即载波信号的频率独立于调制波频率。
见图2-1-4。
SPWM也叫SWPWM(Sinusoidally Weighted PWM)。
图2-1-4 SPWM波形
图中: Udc --直溜母线电压;
Um -- 正弦波基波的峰值，一般情况下，随t2比例变化;
t1 -- PWM信号的周期，通常为一固定值; Tpwm
t2 --正弦波基波的周期。
SPWM控制法的实现
SPWM控制法实现起来相对较为简单。
先产生一个在时间与幅度上都离散的单位正弦序列，也叫正弦表，90?，180?，360?皆可，并存储在程序空间里。
这部分工作可借助于其他工具来完成，如Office Excel。
正弦表的角度分辨率由实际应用确定;对于一个完整的电周期(360?)， 1024个点能满足大部分应用的需求。
正弦波生成时，有效样本点越多，电压电流谐波越小，效果越好。
确定正弦表长度时，还需考虑的因素有:程序空间的大小，功率开关管的速度(PWM信号频率/载波频率)，PWM的有效分辨率，调速比等。
PWM信号频率，有效样本点数N之间的关系如下: 正弦波频率f，fpwm
fpwm 式(2-2-1) N,f
f 应用中，对应正弦波最高频率，如有可能，N应不小于60。
max
考虑到连续变频，正弦表长度L可由下式计算得到:
L,10*N
即:
fpwm 式(2-2-2) L,10*fmax
例2-2-1:
一给定SPWM 调速系统，载波频率为10KHz，最高运行频率为120Hz，试确定正弦表的长度。
直接代入式(2-2-2)得:
3f10*10pwm833 L,10*,10*,f120max
同时由式(2-2-1)得:
3F10*10pwm N,,,83 f120
符合要求。
取L =1024，即正弦表的长度为1024个点。
由于正弦值的范围是-1-1，实际存储的通常是正弦值经比例放大后的数据，对于DSPIC，
14可以放大16384(2)倍(最高位用于表示极性)。
产生SPWM正弦波的基本方法是用一组虚拟的三角形波与一个正弦波进行比较(斩波) 。
受制于PWM的输出方式(边沿对齐)，早期的斩波方案较多是采用锯齿形的三角形波。
随着中心对齐的PWM的输出方式的出现，现在应用较多的是利用虚拟的等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2-1-5 所示。
其相交的时刻(即交点)来作为开关管“ 开”或“ 关”
的时刻。
图2-1-5:SPWM波生成方法
图中: t1 –开关管导通;
t2 –开关管截止。
设定图2-1-5表示的是U相电压，结合图 2-1-3，t1 对应开关管Q1导通区间，t2 对应开关管Q1截止区间。
当PWM工作在中间对齐模式(又称连续增减计数模式)时，可产生图2-1-5中的虚拟等腰三角形波。
对应于每一次PWM中断，更新t1。
综前所述，对于任一给定的正弦波频率，正弦波输出大致经以下几个步骤: 步骤1:依据V/F曲线，确定调制系数m;
步骤2:依据载波频率确定相位步进值;
步骤3:每一次PWM中断，依据相位步进值，确定正弦表步进值;
步骤4:查正弦表，取正弦值，计算时间t1;
步骤5:更新PWM占空比。
以上我们讨论的是一相正弦波的生成方法。
其他两相正弦波的产生方法相同，只是相位上彼此相差120º，即所谓的三相平衡电。
有效/无效窄脉冲对输出谐波电流有较大的影响，实际应用中应注意窄脉冲的处理(通
常是消除)。
SPWM正弦波的输出特性
由于施加在电机上的信号是三相平衡的交流电:幅度相同，频率相同，相位相差120º。
在任何时刻，电流总是从两个绕组流进来，经一个绕组流出去，或者从一个绕组流进来，经两个绕组流出去。
显而易见，电机中性点N电压总为直流母线电压Udc的一半。
U相的相电压可表示为:
Udc 式(2-2-3) u,msin,tUN2
式中: 目标相电压的角频率为; ,
m为调制度(0~1);
V相的相电压为:
U2dc 式(2-2-4) v,msin(,t，,)VN23
U、V间的线电压为:
U2dc u,u,v,*m((sin,t,sin(,t，,)) UVUNVN23
不难得到:
31u,U*m*sin(,t，,)) UVdc26
在满调制(m=1)的情况下，线电压的峰-峰值为:
3u,DC UV(P,P)2
也就是说，SPWM技术的电压利用率只有 86.6 %。
这就降低了系统的效率。
实际应用中，为了提高电压利用率，SPWM技术通常辅助以三次谐波叠加法，或称为三次谐波注入法。
不管是谐波叠加还是谐波注入法，首先要遵循的一个原则是没有过调制:线电压不失真。
2 式(2-2-3)、(2-2-4)同乘以，并在相电压上引入三次谐波e(t)，
3
1令。
e(t),sin3t,6
我们得到
U1dcu,(sin,t，sin3,t) 式(2-2-5) UN63
U212dcv,(sin(,t，,)，sin3(,t，,)) VN3633
得到:
U21dcv,(sin(,t，,)，sin3,t) VN363
则
1 u,U*m*sin(t，)),,UVdc6
在满调制(m=1)的情况下，线电压的峰-峰值为:
u,UUVdc
显然，电压利用率变为100%，系统效率得到提高。
这种情况下，虽然得到了提升，并保持不失真。
但由式(2-2-5)看到，相电压由于叠
加了三次谐波，出现明显失真。
见图2-1-6。
图2-1-6:三次谐波叠加后的相电压与线电压波形 1(2(2 正弦波脉宽调制SPWM 在DSPIC上的实现。