基于SPWM控制的混合调制教学内容设计

梅建伟+田艳芳+雷均+刘杰+魏海波

摘要：在分析混合调制工作原理的基础上，给出了采用混合调制的实现方法、不同调制模式切换条件、载波起始点的影响以及同步调制载波比和分段区间的选择，该教学内容的拓展丰富了调制法的教学内容，促进了SPWM的工程应用。

关键词：SPWM；载波比；异步调制；同步调制；混合调制

【中图分类号】TN86

基金項目：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.

随着电力电子技术数字信号处理技术的发展，脉宽调制（PWM）技术是以指令的方式提供参考正弦信号并实现数字调制算法，但是在调速系统中，由于控制器分辨率和开关器件最高运行频率的限制，当调制波信号频率连续变化时，在整个速度范围内实现同步调制或者异步调制基本不可能，通常采用多模式混合调制，在低速区载波比较大时采用异步调制，随着速度的上升载波比减小到一定程度时则采用同步调制；在同步调制范围内，也将调制波频率划分为若干个频段，在每个频段内都保持载波比N不变，不同频段的载波比数值不同。

1、多模式混合调制的工作原理

采用调制法计算时，根据载波比N是否变化，分为同步调制和异步调制。异步调制时，在整个频率变化范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制波频率 时保持载波频率 不变，这样输出电压半波内的脉冲数可随输出频率的降低而增加，从而减少电机负载的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。

同步调制时，N为常数，变频时载波频率与调制波频率同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。同步调制能保证输出波形的正、负半波始终对称，使得三相输出波形间具有互差 120°的对称关系。但是在低频时，载波频率较低，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强的噪声。

结合异步调制和同步调制的特点，可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，为了降低开关频率，将同步调制阶段进行分段，频率较低时，载波比较大，随着频率的升高，载波比有级的减小。

2、混合调制实现方法

采用SPWM控制时，为了得到对称的PWM波形，载波比的选取非常重要，尤其是在采用规则采样法计算脉冲宽度和脉冲间隔时间。

2.1 混合调制

当采用SPWM控制时，正弦表的设计方法以及更新比较寄存器的方法在《SPWM技术工程应用教学内容设计》中有详细的阐述。

2.1.1 异步调制实现方法

异步调制时，开关频率固定，当调制波频率发生变化时，载波比发生变化，为了谐波取载波比为3的整数倍，实现方法为：

编程时，取 为整数， ；

此时载波比： ；

2.1.2 频率滞环实现方法

以异步调制到同步调制进行切换的滞环环节实现为例，在频率 处进行切换，如果没有滞环环节，在切换点就有可能在同步调制和异步调制两种调制方式间进行跳动，增加一滞环环节，设其频率的变换范围为 ，具体实现方法为：

当 时，进入同步调制模式；

当 时，进入异步调制模式。

通过增加这一滞环环节，消除了软件控制环节在频率切换点的抖动。

2.1.3 同步调制实现方法

同步调制时，载波比固定，当调制波频率发生变化时，载波频率发生变化，此时需要PWM周期寄存器的数值，实现方法为：

编程时，取载波频率 为整数， ；

此时周期寄存器的数值： ，其中 为定时器的时钟频率。

2.2 、不同控制模式切换条件

采用混合调制时，在不同调制模式和不同调制区进行切换时，切换过程中尽量减小电流冲击.保持切换前后基波电压相位的连续和切换前后当前脉冲宽度基本没有跃变，因此在切换时一般按一下方式处理：

1） 异步调制和同步调制之间进行切换时保证切换频率处使两者的载波频率尽量接近；

2） 在分段同步调制中从一个频段切换到另一个频段，要想完全消除切换过程中产生的电压脉冲宽度的突变，仅仅前一频段的采样时刻点对应的 值为0时刻进行切换，在此时刻进行切换将不产生电压脉宽的突变。

2.3、载波起始点的影响

可以通过建立matlab仿真模型，对以上四种不同起始点的调制模式进行仿真，通过比较其谐波含量，发现调制波和载波在过零点相交时，此时起始点对输出波形的影响很小，但是起始点在载波的正峰值和负峰值时，如上图可知，在图中区间1和区间2进行调制时，会造成正脉冲和负脉冲的等效脉冲宽度不一致，也就是等效的正弦波有直流分量，谐波含量增加。

2.4、同步调制载波比和分段区间的选择

1） 选取载波比时尽量选择3的整数倍，实际控制时通常选择6的整数倍；

2） 在每一个频段内，开关频率的最大值必须在当前工况的约束范围之内，保证开关器件工作可靠；

3） 分段同步调制进行频率分段时，尽量使得载波频率的变换区间基本一致；

3、结论

在SPWM控制时，针对工程上常用的混合调制算法，完整的阐述了采用混合调制时的实现框图，且给出了同步调制、异步调制和分段同步调制的实现方法和注意要点，促进了SPWM技术在变频调速系统中的应用。

参考文献：

[1] 郭卫农，朱鹏程，孔雪娟等.一种基于DSP实现的异步调制数字变频算法m.电源世界，2001，（11）：24-26.

[2] 李威，车向中，郝荣泰.交直交电力机车PWM调制方法研究[J].铁道学报，2000，22（6）：26—31.

作者简介：梅建伟，性别：男，出生日期：（1978-10），籍贯：湖北麻城，学历：硕士研究生，民族：汉族，单位：湖北汽车工业学院，职位：副教授，研究方向：主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。