SPWM脉冲发生器-方波变正弦波

SPWM调制技术及其应用2011-05-29 15:17:16 来源:互联网SPWM调制技术及其应用1、正弦脉宽调制（SPWM）技术的理论基础采样控制理论中有一个重要结论：形状不同但面积相等的窄脉冲加之于线性环节时，得到的输出效果基本相同。

如图所示，分别是矩形、三角形、正弦半波窄脉冲和理想单位脉冲函数为波形的电压源u(t) 施加于R、L负载上的情况，当负载时间常数远大于激励脉冲持续时间时，响应i(t) 基本一致，只在上升段有所不同。

由于响应持续时间较长的下降段体现了低频成份，持续时间短的上升段体现了响应的高频分量，因此各个响应按傅里叶分析在低频段基本一致，差别存在于高频段。

当激励脉冲越窄（或负载惯性常数与脉冲持续时间相差越大），则响应的高频段所占比例愈小，整个响应愈相近。

线性系统周期性窄脉冲群的响应可以等效为各个窄脉冲相应的叠加，这样某一以时间为自变量的激励函数加在惯性环节上的响应可以被等效为按时间段与之面积相等的窄脉冲序列加在同一环节上得到的响应。

利用等面积序列脉冲等效正弦半波相应时间段的面积就形成了一系列脉宽随正弦波瞬时值变动的脉冲序列－－即SPWM波，如图所示。

开关功率变换器输出为脉冲函数，利用高频SPWM波施加于负载，并配置低通滤波环节就能够产生需要的低频正弦响应－－即SPWM 调制技术的基本原理与方法。

2、自然采样法－－产生SPWM波的基本方法按照三角波（或锯齿波、统称为载波）与正弦波（调制波）比较，产生SPWM脉冲序列的方法称为自然采样法。

正弦波在不同相位角时其值不同，与三角波相交所得脉冲宽度也不同；当正弦波频率变化和幅值变化时，各个脉冲宽度也相应发生变化。

利用模拟电路可以方便的实现这个功能，将正弦波与三角波施加于比较器的两个输入，其输出即为SPWM波，因此这种方法在模拟控制方式中比较常用，但作为数字控制时由于计算工作量大，一般不常用。

自然采样法示意：uc为三角载波，周期为Tcus为正弦调制波，周期为Ts当us> uc 时，输出＋Uo当us< uc 时，输出－Uo一般有：Ts>> Tcusm≤ucm3、规则采样法（自然采样法的改进－－适合数字控制）规则采样法的原理以载波周期谷点时刻调制波瞬时值为整个载波周期内调制波的幅值，这样调制波与与载波比较得到SPWM信号的方法称为规则采样法。

正弦脉宽调制（SPWM）控制2010-09-18 ylw527+关注献花(4)为了使变压变频器输出交流电压得波形近似为正弦波，使电动机得输出转矩平稳，从而获得优秀得工作性能，现代通用变压变频器中得逆变器都就是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制得，只有在全控器件尚未能及得特大容量时才采用晶闸管变频器。

应用最早而且作为pwm控制基础得就是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。

图3-1与正弦波等效得等宽不等幅矩形脉冲波序列3、1正弦脉宽调制原理一个连续函数就是可以用无限多个离散函数逼近或替代得，因而可以设想用多个不同幅值得矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。

图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅得波形(假设分出得波形数目n=12)，如果每一个矩形波得面积都与相应时间段内正弦波得面积相等，则这一系列矩形波得合成面积就等于正弦波得面积，也即有等效得作用。

为了提高等效得精度，矩形波得个数越多越好，显然，矩形波得数目受到开关器件允许开关频率得限制。

在通用变频器采用得交-直-交变频装置中，前级整流器就是不可控得，给逆变器供电得就是直流电源，其幅值恒定。

从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅得矩形波用一系列等幅不等宽得矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波得面积都相等，也应该能实现与正弦波等效得功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。

例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分得正弦曲线与横轴所包围得面积都用一个与此面积相等得矩形脉冲来代替，矩形脉冲得幅值不变，各脉冲得中点与正弦波每一等分得中点相重合，这样就形成spwm波形。

同样，正弦波得负半周也可用相同得方法与一系列负脉冲波等效。

这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效得spwm 波形称作单极式spwm。

SPWMSPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.定义我们先说说什么叫PWMPWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。

广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。

所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。

三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

该方法的实现有以下几种方案。

1.3.1等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.1.3.2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。

摘要本系统是一个SPWＭ脉冲发生器。

整个系统是以单片机A T89c51为核心，通过编程产生低频波信号，再通过LM358放大电路和滤波电路将波形信号进行处理，最后由示波器显示波形，而波形频率可以通过按键来改变，并且将波形的模式和修改的频率通过LCD12864显示，以便了解当前波形模式和所修改后的频率。

经试验测试，系统满足设计的基本要求，而且系统的电路结构简单，优越性强。

关键字：SPWＭ脉冲发生器单片机A T89c51波形信号LM358放大电路滤波电路AbstractThis system is a SPWM pulse generator. The whole system is chip-computer AT89c51, through the programming produce low-frequency waveform signal, again through the amplifier circuit LM358 and filter circuit will waveform signal processing, the last oscilloscope displa y, but by the frequency changes through the button to revise the present wave frequency, and between the mode and modification of the wave frequency through the LCD12864 shows, in order to understand the revised model and frequency waveforms. After the tes t, this system meet the design requirement, system structure is simple, the circuit strong superiority.Key word: SPWM pulse generator single-chip microcomputer AT89c51 waveform signal LM358 amplifier circuit filter circuit目录摘要 (1)一、系统设计 (1)1.1方案的比较与选择 (1)1.1.1芯片的选择 (1)1.1.2信号处理的选择 (1)1.1.3按键模块的选择 (1)1.1.4显示模块的选择 (1)1.1.5信号的放大和滤波电路的选择 (2)1.2系统框图 (2)二、单元硬件电路设计 (3)2.1控制电路部分 (3)2.1.1 时钟电路 (3)2.1.2 复位电路 (4)2.2 按键模块 (4)2.3显示模块 (4)2.4放大、滤波电路 (5)三、算法和软件设计 (5)3.1理论分析和计算 (6)3.2软件流程 (7)四、系统测试 (8)4.1频率测试 (8)4.2误差分析 (8)五、总结 (8)参考文献 (9)附录 (9)附录一 (9)附录二 (10)一、系统设计1.1方案的比较与选择1.1.1芯片的选择本系统采用的控制芯片是单片机A T89C51，A T89C51是一种4K字节FLASH存储器的低电压、高性能的CMOS8位微处理器，有优异的性价比，集成度高，控制功能强。

spwm 波怎么产生正弦波
SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM 法。

前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不
同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形即SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

spwm 应用简介
具体应用
SA8281 型SPWM 波发生器原理及在变频器中的应用
脉宽调制技术通过一定的规律控制开关元件的通断，来获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，用以近似正弦电压波形。

脉宽调制技术在逆变器中的应用对现代电力电子技术以及现代调速系统的发展起到极大的促进作用。

近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频SPWM（正弦脉宽调。

对于大多数应用场合需要的是工频电源，例如我们的电冰箱，洗衣机，电风扇等都需要正弦波的220伏、50赫兹电源，各种动力设备，远距离输电也都需要正弦波的交流电。

更多的太阳能光伏发电装置输出的是正弦波交流电，目前生成正弦波仍采用前面介绍的全桥电路，只是对开关晶体管的控制采用PWM脉宽调制或移相控制或调频控制等方式。

这里仅介绍最常用的PWM脉宽调制方式。

面积等效原理转换把直流电转换成正弦波交流电是根据根据面积等效原理，在图1上图中的正弦半波（红线）分成n等份，把正弦半波看成是由n个彼此相连的矩形脉冲组成的波形，为简单清晰，划分为7等份。

7个脉冲的幅值按正弦规律变化，每个脉冲面积与相对应的正弦波部分面积相同，这一连续脉冲就等效正弦波。

图1 用面积等效原理转换为SPWM波形如果把上述脉冲序列改为相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲（图1下图），脉冲中心位置不变，并且使该矩形脉冲面积和上图对应的矩形脉冲相同，得到图1下图所示的脉冲序列，脉冲宽度按正弦波规律变化，这就是PWM波形。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，图中红线就是该序列波形的平均值。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。

这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。

要改变等效输出的正弦波的幅值时，只需按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

SPWM波形的生成输出SPWM波形仍需全桥逆变电路，在“光伏用DC-DC变换器”课件中已介绍过这种电路，通过控制开关晶体管的通与断在负载上产生交变电压，见图2。

s图2 全桥逆变电路的工作状态输出SPWM波形的矩形波必须生成序列的控制信号来控制桥式电路中开关晶体管的通与断，普遍使用的是调制法来生成控制信号，可采取单极性调制也可采用双极性调制来生成控制信号，下面介绍常用的单极性调制方式。

图3上部分是SPWM波形控制信号生成的原理图，下部分是生成的SPWM波形。

spwm工作原理
SPWM（正弦波脉宽调制）是一种常见的电力电子技术，可用于将直流电源转换为交流电源。

其工作原理是通过改变脉冲宽度来模拟产生一个高频的正弦波信号。

SPWM的原理基于三角波和参考信号之间的比较。

首先，通
过一个三角波发生器产生一个连续的三角形波形，并设定一个参考正弦波信号。

这个正弦波信号的频率和幅值是由外部的反馈信号或控制参数决定的。

然后，将三角波和参考信号输入到一个比较器中进行比较。

比较器会将比较结果转化为一个相应的脉冲信号。

如果参考信号的幅值大于三角波的幅值，那么脉冲的宽度就更长。

反之，如果参考信号的幅值小于三角波的幅值，脉冲的宽度就变窄。

这样，通过不断改变脉冲宽度，就可以模拟生成一个高频的正弦波信号。

最后，通过电路中的滤波器将脉冲信号转换为平滑的交流信号。

滤波器可以去除脉冲信号中的高频成分，使输出信号更接近于所需的正弦波形。

通过不断调节参考信号或控制参数，可以改变输出信号的频率和幅值，实现对输出信号的调节。

总的来说，SPWM的工作原理是通过比较三角波和参考信号，根据比较结果来调节脉冲宽度，从而模拟产生一个高频的正弦
波信号。

这种技术在以太阳能逆变器、无线通信和电机控制等领域中得到广泛应用。

了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制(pulse width modulation, 简称pwm ) 控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。

应用最早而且作为pwm控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation, 简称spwm)。

图3-1 与正弦波等效的等宽不等幅矩形脉冲波序列3.1 正弦脉宽调制原理一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的，因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波，如图3-1所示。

图中，在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12)，如果每一个矩形波的面积都与相应时间段内正弦波的面积相等，则这一系列矩形波的合成面积就等于正弦波的面积，也即有等效的作用。

为了提高等效的精度，矩形波的个数越多越好，显然，矩形波的数目受到开关器件允许开关频率的限制。

在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒定。

从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代(见图3-2)，只要每个脉冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。

例如，把正弦半波分作n等分(在图3-2中，n=9)，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。

同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。

这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的spwm波形称作单极式spwm。

图3-2 spwm波形图3-3是spwm变压变频器主电路的原理图，图中vt1~vt6是逆变器的六个全控型功率开关器件，它们各有一个续流二极管(vd1~vd6)和它反并联接。

引言随着电力电子技术的飞速发展，正弦脉宽调制（SPWM）变频器也得到了大力的发展，在各个领域内得到了广泛的应用。

SPWM变频器主要应用于中小容量，高性能的交流调速系统中，这种新型的变频器具有如下的优点：(1)输出电压的幅值和频率均在逆变器内控制和调节，可以方便的实现压频比恒定控制或低频时幅值电压的补偿等功能，系统的动态性能较好;(2)功率变化只在逆变器内完成，逆变器可由二极管整流供电，电网的功率因数较高；(3)由SPWM逆变器供电的异步电机的电流波形接近正弦波，谐波分量较少，矩阵脉动小，改善了电动机的运行性能。

鉴于正弦脉宽（SPWM）变频器的上述优点，以及在实际电气传动系统中，不同设备对电源的不同需求。

本文采用了新型功率器件IGBT和8031AH单片机控制系统，设计了一种新型的单相桥式SPWM变频电源。

该变频电源采用恒压频比控制，即U/F 为常数，能使主频率在0 ～100Hz内可调，且将软件设计和硬件设计结合起来，减少了硬件电路的不必要的成本，又使软件编程不至于繁锁。

本设计由我和张建忠同学合作完成，我主要作硬件原理设计参数计算与软件编程、调试等工作，具体内容在本论文中有详述。

而有关硬件绘图、电路仿真及电路介绍等内容可参阅张建忠同学的毕业论文。

由于设计者的能力有限，在设计过程中得到了常宝林老师的悉心教导和大力协助，才将本设计顺利的完成。

在此，向指导老师并支持过我们的各位老师表示衷心的感谢。

目录第一章脉宽调制（PWM）逆变器一、脉宽调制技术（PWM）及其分类……………………..二、正弦脉宽调制技术………………………………………三、同步调制和异步调制……………………………………四、SPWM波形的软件生成………………………………第二章单相桥式正弦脉宽调制（SPWM）变频电源硬件设计……一、设计方案及总体框图…………………………………..二、电路原理与参数计算…………………………………..§1.主电路……………………………………………………§2.驱动电路…………………………………………………§3. 吸收电路…………………………………………………..§4.保护电路………………………………………………….§5. 控制及接口电路………………………………………….第三章软件设计………………………………………………. 一．对称规则采样法………………………………………….二．地址分配…………………………………………………. 三．程序设计………………………………………………….. 四．程序调试与仿真…………………………………………五．程序清单……………………………………………………结束语……………………………………………………………….参考文献……………………………………………………………外文翻译……………………………………………………………第一章脉宽调制逆变器一、脉宽调制（PWM）技术及其分类在电气传动系统中，广泛的应用的PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频的目的的一种控制技术。