數(shù)控電氣傳動中的SPWM波形缺點及改進分析

謝超明

摘要：本文主要介紹正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本工作原理，分析電氣控制系統(tǒng)中SPWM波形的缺點，如不能消除足夠多的諧波、死區(qū)效應及存在過零點振蕩等，并針對這些缺點提出相應的改進措施，以提高其控制性能。

關鍵詞：正弦脈沖寬度調制 死區(qū)效應 諧波 過零點振蕩

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0031-02

正弦脈沖寬度調制（SPWM）是通過改變PWM輸出脈沖的寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波的控制方式，在現(xiàn)代變頻調速系統(tǒng)中應用極為廣泛。具有輸出諧波小、結構簡單調節(jié)方便等優(yōu)點，是逆變電路常采用的方法。然而也有許多缺點，如直流電壓利用率低、諧波含量大、開關頻率高等。本文主要分析正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本原理，分析其主要缺點并提出相應的改進措施。

1 SPWM即正弦脈沖寬度調制的基本原理

以單相逆變器的單脈沖調制電路圖（1）為例。

圖（1）所示為逆變器的理想輸出電壓的正弦波，通過改變大功率晶體管T1-T4導通和截止狀態(tài)，可將逆變電路的直流Vd輸入，變換輸出為三種輸出狀態(tài)值±Vd，0。對上述調制電路中大功率晶體管T1-T4實時的通斷控制，可實現(xiàn)半周期中產(chǎn)生若干個交流電壓為Vab的脈沖電壓，如圖（2）所示，圖中將正、負半周等分為5個時區(qū)，則在每個時區(qū)都會產(chǎn)生有一個幅值相同、寬度不同的電壓脈沖，即5個脈沖電壓的寬度分別為θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，幅值Vd1=Vd2=…=Vd5。如果要求任何一個時間段的矩形脈沖電壓等效于該時間段的正弦電壓，按照面積等效法，應該使該時段電壓和時間的乘積相等。

據(jù)采樣控制理論——沖量等效原理：大小、波形不同的兩個窄脈沖電壓作用于L、R電路時，只要兩個窄脈沖電壓的沖量相等，則它們所形成的電流相應就相同[1]。

2 SPWM的主要缺點

對于SPWM波形的生成中，受很多因素的影響。

2.1 開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的死區(qū)時間，會影響輸出電壓波形

電路工作過程中，由于受開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的延遲時間，即死區(qū)時間。然而電路及基于開關器件本身的特點，通常不得不利用死區(qū)時間以獲得安全、穩(wěn)定的運行效果，但它的影響給逆變器造成了非常不良的死區(qū)效應。死區(qū)效應會在固有諧波外產(chǎn)生附加低次諧波，它會降低逆變器和感應電動機動態(tài)性能和工作效率，對于電氣傳動中電磁轉矩也產(chǎn)生較大的影響。由此可知死區(qū)問題是SPWM波中一個比較關鍵的問題。而且隨著開關頻率的不斷提高，功率器件的開關損耗會進一步增加，死區(qū)效應將更加嚴重。

2.2 當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，而且不能夠消除足夠多的諧波

要想PWM調制出理想正弦波形需要滿足兩個條件，即每個時區(qū)面積相等并要求該時段產(chǎn)生的是窄脈沖，因此脈沖數(shù)量越多越接近于理想的正弦波形，當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，影響波形輸出。另外，當脈沖數(shù)量較少時，用傅里葉分析控制產(chǎn)生的正弦波形會發(fā)現(xiàn)除基波外還會產(chǎn)生許多低次諧波，這將相應的增加電機附加損耗。

2.3 由于控制環(huán)路的延時作用，單極性控制方式的逆變器受到過零點振蕩的影響

單極性控制方式分為單邊方式和雙邊方式。雙邊方式比單邊方式更能抑制過零點振蕩，但仍無法平滑過零點。隨著信號變化，在與控制環(huán)有關的某時段內由于存在過零點附近的波動，SPWM不是按照正弦波調制的規(guī)律輸出波形。具體表現(xiàn)為在低頻臂切換后，電流環(huán)的輸出會有一個過沖，在逆變輸出中表現(xiàn)為正負向變換過程中經(jīng)過零點位置時形成畸變，會很大程度影響輸出波形的平滑性。

3 改進措施

對于控制死區(qū)效應，可從補償和消除的角度考慮?？傮w做法是在控制基波電壓的同時，通過調整載波頻率盡可能消除影響輸出電壓的低次諧波，如通過提高開關頻率以達到增加脈沖數(shù)的效果，從而消除這些諧波。在逆變器電路中，當某相電流i<0時，控制死區(qū)時間產(chǎn)生寬度為Td的正脈沖疊加于理想電壓波形，則實際輸出電壓的正向脈沖寬度相應增加Td，當某相電流i>0時情況相反。

（1）從饋控制方面補償，可認為死區(qū)效應產(chǎn)生的諧波是作用于理想基波的干擾信號，利用平均電壓或預測電流等反饋控制方法進行補償來達到消除死區(qū)效應的效果。

（2）從產(chǎn)生原理方面消除，控制開關器件動作防止“直通”。對于單極性SPWM全橋逆變器，由于受電流檢測精度和采樣延時的影響，即使非零區(qū)域能夠通過控制開關信號消除死區(qū)，但由于積分環(huán)節(jié)的延遲導致電流方向在過零點時有很大不確定性而形成畸變。解決的方法可以考慮采用比例環(huán)節(jié)來使輸出端能及時響應電流環(huán)的變換，從而使檢測寬度和過零點寬度相等來達到消除過零點時候的振蕩。

如圖（3）提出了一種解決過零點振蕩的調整電路方案。

（3）改進調制方案，將正弦調制波改為梯形波或控制減少每周期中開關次數(shù)來提高輸出波形質量；選擇適當?shù)拿}波相位角以消除特定諧波；采用基波移相控制或比較復雜的電壓空間矢量PWM控制技術等。

4 結語

各種PWM控制策略，特別是正弦脈寬調制SPWM控制已經(jīng)在逆變控制技術中得到廣泛的研究與應用。分析脈沖寬度調節(jié)SPWM的原理及缺點對于電氣傳動中的控制死區(qū)效應、消除諧波、避免了逆變器過零點的振蕩及改善輸出波形有著十分重要的意義。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術[M].高等教育出版社，2004.

[2]胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現(xiàn)[J].機電工程，2004，21（1）.

[3]陽岳豐，呂征宇.全橋逆變單極性SPWM控制方式過零點振蕩的研究[J].電源技術應用，2005，9.

[4]楊波，吳建德，李武華，何湘寧.在線自適應PWM死區(qū)消除方法[J].電工技術學報，2011，11.

摘要：本文主要介紹正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本工作原理，分析電氣控制系統(tǒng)中SPWM波形的缺點，如不能消除足夠多的諧波、死區(qū)效應及存在過零點振蕩等，并針對這些缺點提出相應的改進措施，以提高其控制性能。

關鍵詞：正弦脈沖寬度調制 死區(qū)效應 諧波 過零點振蕩

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0031-02

正弦脈沖寬度調制（SPWM）是通過改變PWM輸出脈沖的寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波的控制方式，在現(xiàn)代變頻調速系統(tǒng)中應用極為廣泛。具有輸出諧波小、結構簡單調節(jié)方便等優(yōu)點，是逆變電路常采用的方法。然而也有許多缺點，如直流電壓利用率低、諧波含量大、開關頻率高等。本文主要分析正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本原理，分析其主要缺點并提出相應的改進措施。

1 SPWM即正弦脈沖寬度調制的基本原理

以單相逆變器的單脈沖調制電路圖（1）為例。

圖（1）所示為逆變器的理想輸出電壓的正弦波，通過改變大功率晶體管T1-T4導通和截止狀態(tài)，可將逆變電路的直流Vd輸入，變換輸出為三種輸出狀態(tài)值±Vd，0。對上述調制電路中大功率晶體管T1-T4實時的通斷控制，可實現(xiàn)半周期中產(chǎn)生若干個交流電壓為Vab的脈沖電壓，如圖（2）所示，圖中將正、負半周等分為5個時區(qū)，則在每個時區(qū)都會產(chǎn)生有一個幅值相同、寬度不同的電壓脈沖，即5個脈沖電壓的寬度分別為θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，幅值Vd1=Vd2=…=Vd5。如果要求任何一個時間段的矩形脈沖電壓等效于該時間段的正弦電壓，按照面積等效法，應該使該時段電壓和時間的乘積相等。

據(jù)采樣控制理論——沖量等效原理：大小、波形不同的兩個窄脈沖電壓作用于L、R電路時，只要兩個窄脈沖電壓的沖量相等，則它們所形成的電流相應就相同[1]。

2 SPWM的主要缺點

對于SPWM波形的生成中，受很多因素的影響。

2.1 開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的死區(qū)時間，會影響輸出電壓波形

電路工作過程中，由于受開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的延遲時間，即死區(qū)時間。然而電路及基于開關器件本身的特點，通常不得不利用死區(qū)時間以獲得安全、穩(wěn)定的運行效果，但它的影響給逆變器造成了非常不良的死區(qū)效應。死區(qū)效應會在固有諧波外產(chǎn)生附加低次諧波，它會降低逆變器和感應電動機動態(tài)性能和工作效率，對于電氣傳動中電磁轉矩也產(chǎn)生較大的影響。由此可知死區(qū)問題是SPWM波中一個比較關鍵的問題。而且隨著開關頻率的不斷提高，功率器件的開關損耗會進一步增加，死區(qū)效應將更加嚴重。

2.2 當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，而且不能夠消除足夠多的諧波

要想PWM調制出理想正弦波形需要滿足兩個條件，即每個時區(qū)面積相等并要求該時段產(chǎn)生的是窄脈沖，因此脈沖數(shù)量越多越接近于理想的正弦波形，當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，影響波形輸出。另外，當脈沖數(shù)量較少時，用傅里葉分析控制產(chǎn)生的正弦波形會發(fā)現(xiàn)除基波外還會產(chǎn)生許多低次諧波，這將相應的增加電機附加損耗。

2.3 由于控制環(huán)路的延時作用，單極性控制方式的逆變器受到過零點振蕩的影響

單極性控制方式分為單邊方式和雙邊方式。雙邊方式比單邊方式更能抑制過零點振蕩，但仍無法平滑過零點。隨著信號變化，在與控制環(huán)有關的某時段內由于存在過零點附近的波動，SPWM不是按照正弦波調制的規(guī)律輸出波形。具體表現(xiàn)為在低頻臂切換后，電流環(huán)的輸出會有一個過沖，在逆變輸出中表現(xiàn)為正負向變換過程中經(jīng)過零點位置時形成畸變，會很大程度影響輸出波形的平滑性。

3 改進措施

對于控制死區(qū)效應，可從補償和消除的角度考慮?？傮w做法是在控制基波電壓的同時，通過調整載波頻率盡可能消除影響輸出電壓的低次諧波，如通過提高開關頻率以達到增加脈沖數(shù)的效果，從而消除這些諧波。在逆變器電路中，當某相電流i<0時，控制死區(qū)時間產(chǎn)生寬度為Td的正脈沖疊加于理想電壓波形，則實際輸出電壓的正向脈沖寬度相應增加Td，當某相電流i>0時情況相反。

（1）從饋控制方面補償，可認為死區(qū)效應產(chǎn)生的諧波是作用于理想基波的干擾信號，利用平均電壓或預測電流等反饋控制方法進行補償來達到消除死區(qū)效應的效果。

（2）從產(chǎn)生原理方面消除，控制開關器件動作防止“直通”。對于單極性SPWM全橋逆變器，由于受電流檢測精度和采樣延時的影響，即使非零區(qū)域能夠通過控制開關信號消除死區(qū)，但由于積分環(huán)節(jié)的延遲導致電流方向在過零點時有很大不確定性而形成畸變。解決的方法可以考慮采用比例環(huán)節(jié)來使輸出端能及時響應電流環(huán)的變換，從而使檢測寬度和過零點寬度相等來達到消除過零點時候的振蕩。

如圖（3）提出了一種解決過零點振蕩的調整電路方案。

（3）改進調制方案，將正弦調制波改為梯形波或控制減少每周期中開關次數(shù)來提高輸出波形質量；選擇適當?shù)拿}波相位角以消除特定諧波；采用基波移相控制或比較復雜的電壓空間矢量PWM控制技術等。

4 結語

各種PWM控制策略，特別是正弦脈寬調制SPWM控制已經(jīng)在逆變控制技術中得到廣泛的研究與應用。分析脈沖寬度調節(jié)SPWM的原理及缺點對于電氣傳動中的控制死區(qū)效應、消除諧波、避免了逆變器過零點的振蕩及改善輸出波形有著十分重要的意義。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術[M].高等教育出版社，2004.

[2]胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現(xiàn)[J].機電工程，2004，21（1）.

[3]陽岳豐，呂征宇.全橋逆變單極性SPWM控制方式過零點振蕩的研究[J].電源技術應用，2005，9.

[4]楊波，吳建德，李武華，何湘寧.在線自適應PWM死區(qū)消除方法[J].電工技術學報，2011，11.

摘要：本文主要介紹正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本工作原理，分析電氣控制系統(tǒng)中SPWM波形的缺點，如不能消除足夠多的諧波、死區(qū)效應及存在過零點振蕩等，并針對這些缺點提出相應的改進措施，以提高其控制性能。

關鍵詞：正弦脈沖寬度調制 死區(qū)效應 諧波 過零點振蕩

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0031-02

正弦脈沖寬度調制（SPWM）是通過改變PWM輸出脈沖的寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波的控制方式，在現(xiàn)代變頻調速系統(tǒng)中應用極為廣泛。具有輸出諧波小、結構簡單調節(jié)方便等優(yōu)點，是逆變電路常采用的方法。然而也有許多缺點，如直流電壓利用率低、諧波含量大、開關頻率高等。本文主要分析正弦脈沖寬度調制（SPWM）的基本原理，分析其主要缺點并提出相應的改進措施。

1 SPWM即正弦脈沖寬度調制的基本原理

以單相逆變器的單脈沖調制電路圖（1）為例。

圖（1）所示為逆變器的理想輸出電壓的正弦波，通過改變大功率晶體管T1-T4導通和截止狀態(tài)，可將逆變電路的直流Vd輸入，變換輸出為三種輸出狀態(tài)值±Vd，0。對上述調制電路中大功率晶體管T1-T4實時的通斷控制，可實現(xiàn)半周期中產(chǎn)生若干個交流電壓為Vab的脈沖電壓，如圖（2）所示，圖中將正、負半周等分為5個時區(qū)，則在每個時區(qū)都會產(chǎn)生有一個幅值相同、寬度不同的電壓脈沖，即5個脈沖電壓的寬度分別為θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，幅值Vd1=Vd2=…=Vd5。如果要求任何一個時間段的矩形脈沖電壓等效于該時間段的正弦電壓，按照面積等效法，應該使該時段電壓和時間的乘積相等。

據(jù)采樣控制理論——沖量等效原理：大小、波形不同的兩個窄脈沖電壓作用于L、R電路時，只要兩個窄脈沖電壓的沖量相等，則它們所形成的電流相應就相同[1]。

2 SPWM的主要缺點

對于SPWM波形的生成中，受很多因素的影響。

2.1 開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的死區(qū)時間，會影響輸出電壓波形

電路工作過程中，由于受開關器件本身的開通和關斷時間的影響，造成一定的延遲時間，即死區(qū)時間。然而電路及基于開關器件本身的特點，通常不得不利用死區(qū)時間以獲得安全、穩(wěn)定的運行效果，但它的影響給逆變器造成了非常不良的死區(qū)效應。死區(qū)效應會在固有諧波外產(chǎn)生附加低次諧波，它會降低逆變器和感應電動機動態(tài)性能和工作效率，對于電氣傳動中電磁轉矩也產(chǎn)生較大的影響。由此可知死區(qū)問題是SPWM波中一個比較關鍵的問題。而且隨著開關頻率的不斷提高，功率器件的開關損耗會進一步增加，死區(qū)效應將更加嚴重。

2.2 當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，而且不能夠消除足夠多的諧波

要想PWM調制出理想正弦波形需要滿足兩個條件，即每個時區(qū)面積相等并要求該時段產(chǎn)生的是窄脈沖，因此脈沖數(shù)量越多越接近于理想的正弦波形，當脈沖數(shù)量不夠多時，用矩形波等效得到的電壓有一定的偏差，影響波形輸出。另外，當脈沖數(shù)量較少時，用傅里葉分析控制產(chǎn)生的正弦波形會發(fā)現(xiàn)除基波外還會產(chǎn)生許多低次諧波，這將相應的增加電機附加損耗。

2.3 由于控制環(huán)路的延時作用，單極性控制方式的逆變器受到過零點振蕩的影響

單極性控制方式分為單邊方式和雙邊方式。雙邊方式比單邊方式更能抑制過零點振蕩，但仍無法平滑過零點。隨著信號變化，在與控制環(huán)有關的某時段內由于存在過零點附近的波動，SPWM不是按照正弦波調制的規(guī)律輸出波形。具體表現(xiàn)為在低頻臂切換后，電流環(huán)的輸出會有一個過沖，在逆變輸出中表現(xiàn)為正負向變換過程中經(jīng)過零點位置時形成畸變，會很大程度影響輸出波形的平滑性。

3 改進措施

對于控制死區(qū)效應，可從補償和消除的角度考慮。總體做法是在控制基波電壓的同時，通過調整載波頻率盡可能消除影響輸出電壓的低次諧波，如通過提高開關頻率以達到增加脈沖數(shù)的效果，從而消除這些諧波。在逆變器電路中，當某相電流i<0時，控制死區(qū)時間產(chǎn)生寬度為Td的正脈沖疊加于理想電壓波形，則實際輸出電壓的正向脈沖寬度相應增加Td，當某相電流i>0時情況相反。

（1）從饋控制方面補償，可認為死區(qū)效應產(chǎn)生的諧波是作用于理想基波的干擾信號，利用平均電壓或預測電流等反饋控制方法進行補償來達到消除死區(qū)效應的效果。

（2）從產(chǎn)生原理方面消除，控制開關器件動作防止“直通”。對于單極性SPWM全橋逆變器，由于受電流檢測精度和采樣延時的影響，即使非零區(qū)域能夠通過控制開關信號消除死區(qū)，但由于積分環(huán)節(jié)的延遲導致電流方向在過零點時有很大不確定性而形成畸變。解決的方法可以考慮采用比例環(huán)節(jié)來使輸出端能及時響應電流環(huán)的變換，從而使檢測寬度和過零點寬度相等來達到消除過零點時候的振蕩。

如圖（3）提出了一種解決過零點振蕩的調整電路方案。

（3）改進調制方案，將正弦調制波改為梯形波或控制減少每周期中開關次數(shù)來提高輸出波形質量；選擇適當?shù)拿}波相位角以消除特定諧波；采用基波移相控制或比較復雜的電壓空間矢量PWM控制技術等。

4 結語

各種PWM控制策略，特別是正弦脈寬調制SPWM控制已經(jīng)在逆變控制技術中得到廣泛的研究與應用。分析脈沖寬度調節(jié)SPWM的原理及缺點對于電氣傳動中的控制死區(qū)效應、消除諧波、避免了逆變器過零點的振蕩及改善輸出波形有著十分重要的意義。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術[M].高等教育出版社，2004.

[2]胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現(xiàn)[J].機電工程，2004，21（1）.

[3]陽岳豐，呂征宇.全橋逆變單極性SPWM控制方式過零點振蕩的研究[J].電源技術應用，2005，9.

[4]楊波，吳建德，李武華，何湘寧.在線自適應PWM死區(qū)消除方法[J].電工技術學報，2011，11.