正弦波脉宽调制(SPWM)技术

目前，高性能的交流调速系统的研究和开发引起各国学者的高度重视，并得到越来越深入的研究。而所选用微处理器、功率器件及产生PWM波的方法是影响交流调整系统性能好坏的直接因素。笔者研究了一种以8098单片机为控制器、以智能功率模块IPM为开关器件的变频调速系统，此控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响：其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

正弦波脉宽调制(SPWM)技术

SPWM控制技术原理

由于PWM变换器具有功率因数高、可同时实现变频变压及抵制谐波的特点，因此在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。最常用的PWM技术为正弦波脉宽调制技术，即SPWM控制技术。

SPWM控制技术原理，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三角波作为载波，并用频率和期望相同的正弦波作为调制波，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。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

PWM(Pulse Width Modulation)控制技术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，来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)。面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。一种典型的PWM控制波形SPWM：脉冲的宽度按正弦规律变化。而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 [1]PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰(EMD)源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

PWM控制(脉冲宽度调制)的基本原理

控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

脉冲宽度调制的简介

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制的发展背景

随着电子技术的发展，出现了多种脉冲宽度调制技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化，可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

脉冲宽度调制的特点

PWM的特点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因，从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离，在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

控制方法

等脉宽PWM法

等脉宽PWM法是PWM法中最为简单的一种，它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变其周期，达到调频的效果，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

随机PWM

在20世纪70年代开始至20世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注，为求得改善，随机PWM方法应运而生。

SPWM法

SPWM法是一种比较成熟的，如今使用较广泛的PWM法，前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同的。

线电压控制PWM

前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时，都是对三相输出相电压分别进行控制的，使其输出接近正弦波，但是，对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载，逆变器输出不必追求相电压接近正弦，而可着眼于使线电压趋于正弦。

电流控制PWM

电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。

应用领域

电信

在电信使用上，脉冲宽度调制是一种信号调制的形式，其脉冲波的宽度对应到另一个特定资料会在传送端被编码，并于接收端解码，不同长度的脉冲波将会每隔固定的时间后被传递。

能量的传递

脉冲宽度调制可以被用来控制对于一个载流子能量传递的多寡，而不会产生由阻抗所造成的线性能量传递损失，此方法所需要付出的代价是，载流子所流失的能量并非一个常数且是不连续的，载流子上传递的能量也不是连续的。

PWM控制的工作方式主要包括以下两种：

恒频调宽法：这种方法保持PWM信号的频率不变，通过改变占空比来调节输出电压或电流的大小。这种方式简单易行，适用于对输出电压或电流进行连续调节的场合。

调频调宽法：这种方法同时改变PWM信号的频率和占空比，以实现更精确的控制。在需要快速响应和精确调节的场合，调频调宽法具有更好的性能。

PWM控制的应用领域

PWM控制技术在许多领域都有广泛的应用，包括：

电机控制：PWM控制技术可以用于电机的速度控制、位置控制以及力矩控制等。通过对电机驱动电路进行PWM控制，可以实现对电机的精确控制，提高电机的运行效率和性能。

电源变换器：PWM控制技术可以用于电源变换器的设计中，实现对输出电压和电流的精确控制。这种技术广泛应用于各种电源设备中，如UPS电源、开关电源等。

照明控制：在LED照明系统中，PWM控制技术可以用于调节LED的亮度。通过改变PWM信号的占空比，可以实现对LED亮度的连续调节，满足不同场合的照明需求。

音频处理：在音频放大器中，PWM控制技术可以用于提高音频信号的保真度和动态范围。通过对音频信号进行PWM调制和解调处理，可以消除音频信号中的噪声和失真，提高音质。

四、PWM控制的主要优势

PWM控制技术具有以下优势：

精确控制：PWM控制技术可以通过改变占空比实现对输出电压或电流的精确控制，具有高度的灵活性和准确性。

高效节能：PWM控制技术可以实现高效能量转换，减少能量损耗和浪费。在电机控制、电源变换器等领域中，PWM控制技术可以显著提高系统的运行效率和节能性能。

抗干扰性强：PWM控制技术采用数字信号进行控制，具有较强的抗干扰能力。在噪声干扰较大的环境中，PWM控制技术可以保持稳定的性能表现。

易于实现：PWM控制技术可以通过微控制器等数字设备实现，具有易于实现和灵活配置的优点。这使得PWM控制技术在各种电子系统中得到了广泛应用。SPWM正弦脉宽调制法是采用调制波为正弦波、载波为三角波的一种脉宽调制方法，可广泛应用于逆变器电源上。SPWM的输出波形控制算法有面积等效法、自然采样法、对称规则采样法、不对称规则采样法等，本文采用脉宽调制波的面积等效法来实现SPWM控制。图3所示是其SPWM波形图，该方法将半个周期的正弦波波形分成N等分，从而把该正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成，这些脉冲宽度相等(都等于π/N)，幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果能把这种脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，并使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合。且使矩形脉冲和相应的正弦部分的面积脉冲量相等，那么，就可以得到相应的脉冲序列。这样，再使各脉冲的宽度按正弦规律变化，同时使矩形波与正弦波等效，就可以实现SPWM正弦脉宽调制。