目前SPWM的產(chǎn)生方法有哪些

在UPS等電力電子設(shè)備中，控制方法是核心技術(shù)。早期的控制方法使得輸出為矩形波，諧波含量較高，濾波困難。SPWM技術(shù)較好地克服了這些缺點(diǎn)。目前SPWM的產(chǎn)生方法很多，匯總?cè)缦隆?

1)利用分立元件，采用模擬、數(shù)字混和電路生成SPWM波。此方法電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難且不易改進(jìn);

2)由SPWM專(zhuān)用芯片SA828系列與微處理器直接連接生成SPWM波，SA828是由規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波的，相對(duì)諧波較大且無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;

3)利用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式SPWM發(fā)生器;

4)基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM，此方法控制電路簡(jiǎn)單可靠，利用軟件產(chǎn)生SPWM波，減輕了對(duì)硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。

而當(dāng)今單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)從單純依賴(lài)于51系列單片機(jī)向其它多種單片機(jī)發(fā)展，尤其以嵌入式PIC單片機(jī)的發(fā)展應(yīng)用更為廣泛。PIC單片機(jī)含具有PWM功能的外圍功能模塊(CCP)，利用此模塊更容易通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)SPWM，且具有更快的執(zhí)行速度。

本文采用軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)的方法，利用面積等效法，并且基于PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)孀兿到y(tǒng)的SPWM控制。

1.面積等效的SPWM控制算法： 目前生成SPWM波的控制算法主要有4種：1)自然采樣法; 2)對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法; 3)不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法; 4)面積等效法。

理論分析后知自然采樣法和面積等效法相對(duì)于規(guī)則采樣法諧波較小，對(duì)諧波的抑制能力較強(qiáng)。又因?yàn)镻IC單片機(jī)片內(nèi)無(wú)較大空間實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)運(yùn)算，所以自然采樣法不利于軟件實(shí)現(xiàn)。本文的試驗(yàn)系統(tǒng)采用面積等效法實(shí)現(xiàn)SPWM控制。

脈沖寬度調(diào)制的發(fā)展背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線(xiàn)電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，可以通過(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

脈沖寬度調(diào)制的特點(diǎn)

PWM的特點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離，在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

控制方法

等脈寬PWM法

等脈寬PWM法是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種，它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過(guò)改變其周期，達(dá)到調(diào)頻的效果，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。

隨機(jī)PWM

在20世紀(jì)70年代開(kāi)始至20世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注，為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。

SPWM法

SPWM法是一種比較成熟的，如今使用較廣泛的PWM法，前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同的。

線(xiàn)電壓控制PWM

前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時(shí)，都是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無(wú)中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)負(fù)載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線(xiàn)電壓趨于正弦。

電流控制PWM

電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開(kāi)關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變。

應(yīng)用領(lǐng)域

電信

在電信使用上，脈沖寬度調(diào)制是一種信號(hào)調(diào)制的形式，其脈沖波的寬度對(duì)應(yīng)到另一個(gè)特定資料會(huì)在傳送端被編碼，并于接收端解碼，不同長(zhǎng)度的脈沖波將會(huì)每隔固定的時(shí)間后被傳遞。

能量的傳遞

脈沖寬度調(diào)制可以被用來(lái)控制對(duì)于一個(gè)載流子能量傳遞的多寡，而不會(huì)產(chǎn)生由阻抗所造成的線(xiàn)性能量傳遞損失，此方法所需要付出的代價(jià)是，載流子所流失的能量并非一個(gè)常數(shù)且是不連續(xù)的，載流子上傳遞的能量也不是連續(xù)的。

PWM控制的工作方式主要包括以下兩種：

恒頻調(diào)寬法：這種方法保持PWM信號(hào)的頻率不變，通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的大小。這種方式簡(jiǎn)單易行，適用于對(duì)輸出電壓或電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。

調(diào)頻調(diào)寬法：這種方法同時(shí)改變PWM信號(hào)的頻率和占空比，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。在需要快速響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，調(diào)頻調(diào)寬法具有更好的性能。

PWM控制的應(yīng)用領(lǐng)域

PWM控制技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：

電機(jī)控制：PWM控制技術(shù)可以用于電機(jī)的速度控制、位置控制以及力矩控制等。通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和性能。

電源變換器：PWM控制技術(shù)可以用于電源變換器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的精確控制。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電源設(shè)備中，如UPS電源、開(kāi)關(guān)電源等。

照明控制：在LED照明系統(tǒng)中，PWM控制技術(shù)可以用于調(diào)節(jié)LED的亮度。通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的照明需求。

音頻處理：在音頻放大器中，PWM控制技術(shù)可以用于提高音頻信號(hào)的保真度和動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制和解調(diào)處理，可以消除音頻信號(hào)中的噪聲和失真，提高音質(zhì)。

四、PWM控制的主要優(yōu)勢(shì)

PWM控制技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

精確控制：PWM控制技術(shù)可以通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓或電流的精確控制，具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性。

高效節(jié)能：PWM控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，減少能量損耗和浪費(fèi)。在電機(jī)控制、電源變換器等領(lǐng)域中，PWM控制技術(shù)可以顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)能性能。

抗干擾性強(qiáng)：PWM控制技術(shù)采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在噪聲干擾較大的環(huán)境中，PWM控制技術(shù)可以保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

易于實(shí)現(xiàn)：PWM控制技術(shù)可以通過(guò)微控制器等數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)，具有易于實(shí)現(xiàn)和靈活配置的優(yōu)點(diǎn)。這使得PWM控制技術(shù)在各種電子系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹的基于PIC單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)很好地把軟硬件技術(shù)結(jié)合在一起，針對(duì)規(guī)則采樣法諧波大的缺點(diǎn)，利用面積等效法較好地抑制了諧波。本文給出了具體的硬件試驗(yàn)系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)，分析試驗(yàn)結(jié)果波形后表明此方法輸出諧波較小，在對(duì)輸出波形質(zhì)量要求較高的UPS逆變系統(tǒng)中有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。如今PIC單片機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電力電子技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快速的階段，這種軟硬件結(jié)合的控制技術(shù)在其它很多應(yīng)用領(lǐng)域也有較大的發(fā)展空間。

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。本文主要詳解stm32產(chǎn)生spwm原理及程序，首先來(lái)了解一下生成SPWM波的基理是什么，具體得跟隨小編一起來(lái)了解一下。

生成SPWM波的基理

由于正弦交流量是典型的模擬量，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以完成高頻交流電流輸出，而功率半導(dǎo)體器件于模擬狀態(tài)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗劇增，于是，用開(kāi)關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖電路的運(yùn)行過(guò)程，從而構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器或電源引擎。典型的H橋逆變電路很容易理解(圖1a)

對(duì)角聯(lián)動(dòng)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件和與之對(duì)應(yīng)的另一組對(duì)角橋臂同時(shí)實(shí)施交替的開(kāi)關(guān)作業(yè)時(shí)，建立運(yùn)行后，流經(jīng)負(fù)載的電流即為交流電流(圖1b)，考慮到功率器件關(guān)斷時(shí)的滯后特性避免造成短路，通常都做成(圖1c)的波形結(jié)構(gòu)。顯然開(kāi)關(guān)器件輸出的是方波(矩形波)交流電流。

在交流應(yīng)用場(chǎng)合，多數(shù)負(fù)載要求輸入的是正弦波電流。

電工學(xué)認(rèn)為，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波也可以分解為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。

不良波形或失真嚴(yán)重的正弦交流量必然產(chǎn)生大量的低次、高次及分?jǐn)?shù)諧波，豐富的諧波分量與基波疊加的情景使得正負(fù)峰值幾乎同時(shí)發(fā)生，換向突變時(shí)急劇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將對(duì)負(fù)載造成沖擊并導(dǎo)致負(fù)載特性的不穩(wěn)定或漂移，又加重了濾波器件的負(fù)擔(dān)，損耗也隨之增大，非但降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，還對(duì)周邊設(shè)備造成不良影響。

在高頻化和大功率電力變換場(chǎng)合，裝置內(nèi)部急劇的電流變化，不但使器件承受很大電磁應(yīng)力，并向裝置周?chē)臻g輻射有害電磁波污染環(huán)境，這種電磁干擾(Electro Magnetic Interference簡(jiǎn)稱(chēng)EMI)還會(huì)引發(fā)周?chē)O(shè)備的誤動(dòng)作及造成電能計(jì)量紊亂。抑制諧波和EMI的防御仍為重要課題或技術(shù)指標(biāo)。

可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的方波在功率應(yīng)用場(chǎng)合下顯示出了不盡如人意的一面。當(dāng)然，在不觸及負(fù)載特性、能量轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境污染和系統(tǒng)綜合技術(shù)指標(biāo)以及小功率應(yīng)用場(chǎng)合的前提下，就控制方法而言則顯得容易些。