基于SPWM控制的混合調制教學內容設計

梅建偉+田艷芳+雷均+劉杰+魏海波

摘要：在分析混合調制工作原理的基礎上，給出了采用混合調制的實現方法、不同調制模式切換條件、載波起始點的影響以及同步調制載波比和分段區間的選擇，該教學內容的拓展豐富了調制法的教學內容，促進了SPWM的工程應用。

關鍵詞：SPWM；載波比；異步調制；同步調制；混合調制

【中圖分類號】TN86

基金項目：電動車用輪轂無刷電機驅動系統關鍵基礎問題研究，項目編號：ZDK2201401.

隨著電力電子技術數字信號處理技術的發展，脈寬調制（PWM）技術是以指令的方式提供參考正弦信號并實現數字調制算法，但是在調速系統中，由于控制器分辨率和開關器件最高運行頻率的限制，當調制波信號頻率連續變化時，在整個速度范圍內實現同步調制或者異步調制基本不可能，通常采用多模式混合調制，在低速區載波比較大時采用異步調制，隨著速度的上升載波比減小到一定程度時則采用同步調制；在同步調制范圍內，也將調制波頻率劃分為若干個頻段，在每個頻段內都保持載波比N不變，不同頻段的載波比數值不同。

1、多模式混合調制的工作原理

采用調制法計算時，根據載波比N是否變化，分為同步調制和異步調制。異步調制時，在整個頻率變化范圍內，載波比N不等于常數。一般在改變調制波頻率 時保持載波頻率 不變，這樣輸出電壓半波內的脈沖數可隨輸出頻率的降低而增加，從而減少電機負載的轉矩脈動與噪聲，改善了系統的低頻工作性能。

同步調制時，N為常數，變頻時載波頻率與調制波頻率同步改變，因而輸出電壓半波內的矩形脈沖數是固定不變的。同步調制能保證輸出波形的正、負半波始終對稱，使得三相輸出波形間具有互差 120°的對稱關系。但是在低頻時，載波頻率較低，諧波會顯著增加，使負載電動機產生較大脈動轉矩和較強的噪聲。

結合異步調制和同步調制的特點，可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，為了降低開關頻率，將同步調制階段進行分段，頻率較低時，載波比較大，隨著頻率的升高，載波比有級的減小。

2、混合調制實現方法

采用SPWM控制時，為了得到對稱的PWM波形，載波比的選取非常重要，尤其是在采用規則采樣法計算脈沖寬度和脈沖間隔時間。

2.1 混合調制

當采用SPWM控制時，正弦表的設計方法以及更新比較寄存器的方法在《SPWM技術工程應用教學內容設計》中有詳細的闡述。

2.1.1 異步調制實現方法

異步調制時，開關頻率固定，當調制波頻率發生變化時，載波比發生變化，為了諧波取載波比為3的整數倍，實現方法為：

編程時，取 為整數， ；

此時載波比： ；

2.1.2 頻率滯環實現方法

以異步調制到同步調制進行切換的滯環環節實現為例，在頻率 處進行切換，如果沒有滯環環節，在切換點就有可能在同步調制和異步調制兩種調制方式間進行跳動，增加一滯環環節，設其頻率的變換范圍為 ，具體實現方法為：

當 時，進入同步調制模式；

當 時，進入異步調制模式。

通過增加這一滯環環節，消除了軟件控制環節在頻率切換點的抖動。

2.1.3 同步調制實現方法

同步調制時，載波比固定，當調制波頻率發生變化時，載波頻率發生變化，此時需要PWM周期寄存器的數值，實現方法為：

編程時，取載波頻率 為整數， ；

此時周期寄存器的數值： ，其中 為定時器的時鐘頻率。

2.2 、不同控制模式切換條件

采用混合調制時，在不同調制模式和不同調制區進行切換時，切換過程中盡量減小電流沖擊.保持切換前后基波電壓相位的連續和切換前后當前脈沖寬度基本沒有躍變，因此在切換時一般按一下方式處理：

1） 異步調制和同步調制之間進行切換時保證切換頻率處使兩者的載波頻率盡量接近；

2） 在分段同步調制中從一個頻段切換到另一個頻段，要想完全消除切換過程中產生的電壓脈沖寬度的突變，僅僅前一頻段的采樣時刻點對應的 值為0時刻進行切換，在此時刻進行切換將不產生電壓脈寬的突變。

2.3、載波起始點的影響

可以通過建立matlab仿真模型，對以上四種不同起始點的調制模式進行仿真，通過比較其諧波含量，發現調制波和載波在過零點相交時，此時起始點對輸出波形的影響很小，但是起始點在載波的正峰值和負峰值時，如上圖可知，在圖中區間1和區間2進行調制時，會造成正脈沖和負脈沖的等效脈沖寬度不一致，也就是等效的正弦波有直流分量，諧波含量增加。

2.4、同步調制載波比和分段區間的選擇

1） 選取載波比時盡量選擇3的整數倍，實際控制時通常選擇6的整數倍；

2） 在每一個頻段內，開關頻率的最大值必須在當前工況的約束范圍之內，保證開關器件工作可靠；

3） 分段同步調制進行頻率分段時，盡量使得載波頻率的變換區間基本一致；

3、結論

在SPWM控制時，針對工程上常用的混合調制算法，完整的闡述了采用混合調制時的實現框圖，且給出了同步調制、異步調制和分段同步調制的實現方法和注意要點，促進了SPWM技術在變頻調速系統中的應用。

參考文獻：

[1] 郭衛農，朱鵬程，孔雪娟等.一種基于DSP實現的異步調制數字變頻算法m.電源世界，2001，（11）：24-26.

[2] 李威，車向中，郝榮泰.交直交電力機車PWM調制方法研究[J].鐵道學報，2000，22（6）：26—31.

作者簡介：梅建偉，性別：男，出生日期：（1978-10），籍貫：湖北麻城，學歷：碩士研究生，民族：漢族，單位：湖北汽車工業學院，職位：副教授，研究方向：主要從事電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。