SPWM技術工程應用教學內容設計

梅建偉++田艷芳++雷均++劉杰++魏海波

摘要：在討論SPWM生成方法的基礎上，分析了調制法中規則采樣法和自然采樣法應用時碰到的幾個典型問題，并且給出了相應的結論，利用TMS320F2812作為控制核心，提供了采用規則采樣法時軟件C語言代碼，該教學內容的拓展豐富了SPWM的教學內容，促進了SPWM的工程應用。

關鍵詞：SPWM；載波比；自然采樣法；規則采樣法

【中圖分類號】TM464

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

隨著微處理器技術的發展，提出了多種SPWM技術，比較典型的有規則采樣數字化SPWM技術和能提高直流電壓利用率的優化SPWM技術，但其基本的調制規則并沒有改變。這種調制規則是以正弦參考波為調制波，并以N倍調制波頻率的具有分段線性的三角波或者鋸齒波作為載波，將載波與調制波相交，就得到一組

幅值相等，而寬度正比于正弦調制波函數的脈沖序列，利用該脈沖序列，并通過相應的驅動邏輯單元控制功率開關器件的通斷，便可以實現SPWM控制。

一、SPWM形成方法

1、軟件計算法

根據調制度和正弦信號頻率的不同，根據載波比將正弦量周期分成N等份，先離線計算出各開關器件的通斷時刻，然后計算每一個時刻對應的正弦值，把當前計算結果存在EPROM中，運行時通過查表的方法計算開關器件的脈沖寬度，該方法所需要的內存容量往往較大。實時計算法是在運行時根據變量進行在線計算

所需的脈沖寬度和間隔，這種方法僅適用于計算量不大的場合，實際中通常將這兩種思路結合起來，將正弦表存在EPROM中，然后在主程序中通過查表的方法實時計算脈沖的寬度。

2、集成電路法

采用專門產生SPWM波形的芯片，可簡化控制電路和軟件設計，目前應用較多的SPWM芯片有8XC196MC、MA818、HEF4752、SLE4520。其中HEF4752有8段載波比，其載波比可分別設置為15、21、30、42、60、84、120、168，調制波的頻率范圍在 。

二、調制法原理分析

1、規則采樣法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3為例進行分析。

（a） N=6 （a） N=3

圖1 N=3規則采樣法雙極性調制脈沖波形圖

2） 結果分析

采用規則采樣法時，在載波比為3的整數倍時，分別對N為偶數和奇數兩種情況下同一橋臂上下兩個開關管的控制脈沖進行分析，對比圖1（a）和圖1（b）的數據發現，當N=6時，同一橋臂上下開關器件的導通時間是相同的；當N=3時，同一橋臂上下開關器件的導通時間不同，上橋臂開關器件導通時間比上橋臂開關器件導通時間短。這樣當N為奇數的情況下，容易出現一個周期內正負半周伏秒數不平衡，造成最終輸出的波形正負半周不對稱。

2、自然采樣法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3為例進行分析。

（a） N=6 （a） N=3

圖2自然采樣法雙極性調制脈沖波形圖

2） 結果分析

由圖2可知，采用自然采樣法時，當載波比均是3的倍數時，無論載波比為偶數還是奇數，上橋臂開關器件和下橋臂開關器件的導通時間相同（阻性負載），且同一橋臂上下開關器件在一個周期內的前后 周期是對稱的。

3、載波發生變化時波形圖分析

（a）載波起點不為0 （b）調制波右移

圖3載波異常雙極性調制脈沖波形圖

由上圖3（a）可知，當載波的起始點不為0時，采用規則采樣法或者自然采樣法時，在圖3（a）中的區間1中應該給上橋臂開關器件以開通信號，在區間2中給下橋臂開關器件以開通信號，按照圖3的調制方法無法得到開關器件的脈沖信號。

根據上圖的分析，要得到按照正弦規律變化的脈沖信號，載波和調制波在時間軸上的過零點必須相交。如果實際的載波信號為圖3（b）所示的波形，那么將調制波信號向右移 ，即采樣點均向右移 ，無論是規則采樣法還是自然采樣法均可以得到按照正弦規律進行變化的開關器件的控制信號。

三、SPWM工程實現方法

采用規則采樣法，以TMS320F2812作為控制核心，利用其事件管理器模塊（EV）實現SPWM的產生，程序實現時主要分成兩個部份，一部份是產生正弦表，并且計算全比較單元中比較寄存器的數值，另一部份是根據三相的相序和采樣時刻點在上溢中斷中更新比較寄存器的數值。

1、規則采樣法脈沖寬度和脈沖間隔的計算

以三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期 ，使脈沖中點不和三角波

（負峰點）重合，使計算大為減化。如圖所示，通過三角波負峰點作一條垂直于時間軸的直線，該直線與調制波相交于D點，過D點作一條平行于時間軸的直線，該直線與三角波相交于A、B兩點，在 和 時刻控制開關器件的通斷，此時脈沖寬度和脈沖間隔計算如下：

圖4規則采樣法脈沖寬度計算

正弦調制信號波： ，由上圖4：

故： ，

2、正弦表的產生

float CMPR（Uint16 kkk）

{ float CMPR2=0；

q=（kkk+0.75）； q=q*2*PI； q/=SWPM1.NX； j=sin（q）；

CMPR2=SWPM1.PR/2 * （1+SWPM1.M * j）；

return CMPR2；}

3、上溢中斷中更新比較寄存器的值

if（k0<=SWPM1.NX）

{ h1=k0+SWPM1.NX_A； if（h1>=SWPM1.NX）h1=h1-SWPM1.NX；

h2=k0+SWPM1.NX_B； if（h2>=SWPM1.NX）h2=h2-SWPM1.NX；

EvaRegs.CMPR1=CMPR（k0）；EvaRegs.CMPR2=CMPR（h1）；

EvaRegs.CMPR3=CMPR（h2）；

k0=k0+1；}

else k0=0；

四 結論

完整闡述了SPWM的形成方法，且針對目前常用調制方法中自然采樣法和規則采樣法工程應用時的各種情況進行了討論，得出了在不同情況下載波比、載波和調制波的工程處理方法，最后本文給出了一個工程上典型的應用案例，該教學內容極大的開拓了學生的視野，為SPWM技術在變頻調速系統中的應用打下了堅實的基礎。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2001.

作者簡介：梅建偉：男，1978.10，副教授，碩士研究生，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。