SPWM技术工程应用教学内容设计

梅建伟++田艳芳++雷均++刘杰++魏海波

摘要：在讨论SPWM生成方法的基础上，分析了调制法中规则采样法和自然采样法应用时碰到的几个典型问题，并且给出了相应的结论，利用TMS320F2812作为控制核心，提供了采用规则采样法时软件C语言代码，该教学内容的拓展丰富了SPWM的教学内容，促进了SPWM的工程应用。

关键词：SPWM；载波比；自然采样法；规则采样法

【中图分类号】TM464

基金项目：电动车用轮毂无刷电机驱动系统关键基础问题研究 项目编号：ZDK2201401

随着微处理器技术的发展，提出了多种SPWM技术，比较典型的有规则采样数字化SPWM技术和能提高直流电压利用率的优化SPWM技术，但其基本的调制规则并没有改变。这种调制规则是以正弦参考波为调制波，并以N倍调制波频率的具有分段线性的三角波或者锯齿波作为载波，将载波与调制波相交，就得到一组

幅值相等，而宽度正比于正弦调制波函数的脉冲序列，利用该脉冲序列，并通过相应的驱动逻辑单元控制功率开关器件的通断，便可以实现SPWM控制。

一、SPWM形成方法

1、软件计算法

根据调制度和正弦信号频率的不同，根据载波比将正弦量周期分成N等份，先离线计算出各开关器件的通断时刻，然后计算每一个时刻对应的正弦值，把当前计算结果存在EPROM中，运行时通过查表的方法计算开关器件的脉冲宽度，该方法所需要的内存容量往往较大。实时计算法是在运行时根据变量进行在线计算

所需的脉冲宽度和间隔，这种方法仅适用于计算量不大的场合，实际中通常将这两种思路结合起来，将正弦表存在EPROM中，然后在主程序中通过查表的方法实时计算脉冲的宽度。

2、集成电路法

采用专门产生SPWM波形的芯片，可简化控制电路和软件设计，目前应用较多的SPWM芯片有8XC196MC、MA818、HEF4752、SLE4520。其中HEF4752有8段载波比，其载波比可分别设置为15、21、30、42、60、84、120、168，调制波的频率范围在 。

二、调制法原理分析

1、规则采样法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3为例进行分析。

（a） N=6 （a） N=3

图1 N=3规则采样法双极性调制脉冲波形图

2） 结果分析

采用规则采样法时，在载波比为3的整数倍时，分别对N为偶数和奇数两种情况下同一桥臂上下两个开关管的控制脉冲进行分析，对比图1（a）和图1（b）的数据发现，当N=6时，同一桥臂上下开关器件的导通时间是相同的；当N=3时，同一桥臂上下开关器件的导通时间不同，上桥臂开关器件导通时间比上桥臂开关器件导通时间短。这样当N为奇数的情况下，容易出现一个周期内正负半周伏秒数不平衡，造成最终输出的波形正负半周不对称。

2、自然采样法

1） N=6K（K=1、2、3、4、5· · · · · ·） 和N=3K（K=1、3、5、7、9· · · · · ·），以N=6和N=3为例进行分析。

（a） N=6 （a） N=3

图2自然采样法双极性调制脉冲波形图

2） 结果分析

由图2可知，采用自然采样法时，当载波比均是3的倍数时，无论载波比为偶数还是奇数，上桥臂开关器件和下桥臂开关器件的导通时间相同（阻性负载），且同一桥臂上下开关器件在一个周期内的前后 周期是对称的。

3、载波发生变化时波形图分析

（a）载波起点不为0 （b）调制波右移

图3载波异常双极性调制脉冲波形图

由上图3（a）可知，当载波的起始点不为0时，采用规则采样法或者自然采样法时，在图3（a）中的区间1中应该给上桥臂开关器件以开通信号，在区间2中给下桥臂开关器件以开通信号，按照图3的调制方法无法得到开关器件的脉冲信号。

根据上图的分析，要得到按照正弦规律变化的脉冲信号，载波和调制波在时间轴上的过零点必须相交。如果实际的载波信号为图3（b）所示的波形，那么将调制波信号向右移 ，即采样点均向右移 ，无论是规则采样法还是自然采样法均可以得到按照正弦规律进行变化的开关器件的控制信号。

三、SPWM工程实现方法

采用规则采样法，以TMS320F2812作为控制核心，利用其事件管理器模块（EV）实现SPWM的产生，程序实现时主要分成两个部份，一部份是产生正弦表，并且计算全比较单元中比较寄存器的数值，另一部份是根据三相的相序和采样时刻点在上溢中断中更新比较寄存器的数值。

1、规则采样法脉冲宽度和脉冲间隔的计算

以三角波两个正峰值之间为一个采样周期 ，使脉冲中点不和三角波

（负峰点）重合，使计算大为减化。如图所示，通过三角波负峰点作一条垂直于时间轴的直线，该直线与调制波相交于D点，过D点作一条平行于时间轴的直线，该直线与三角波相交于A、B两点，在 和 时刻控制开关器件的通断，此时脉冲宽度和脉冲间隔计算如下：

图4规则采样法脉冲宽度计算

正弦调制信号波： ，由上图4：

故： ，

2、正弦表的产生

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、上溢中断中更新比较寄存器的值

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 结论

完整阐述了SPWM的形成方法，且针对目前常用调制方法中自然采样法和规则采样法工程应用时的各种情况进行了讨论，得出了在不同情况下载波比、载波和调制波的工程处理方法，最后本文给出了一个工程上典型的应用案例，该教学内容极大的开拓了学生的视野，为SPWM技术在变频调速系统中的应用打下了坚实的基础。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：梅建伟：男，1978.10，副教授，硕士研究生，主要從事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。