PWM型变频器的基本控制方式通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。

异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。

PWM型变频器一般采用电压型逆变器。

根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。

(1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。

中间环节是滤波电容器。

图2-3 变幅PWM型变频器晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。

逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。

图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。

它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。

分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。

图2-4 利用斩波器的变频电路图以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。

另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。

(2)恒幅PWM型变频器恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。

逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。

此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。

它具有下列主要优点：1）简化了主电路和控制电路的结构。

由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。

在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。

系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。

2）由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。

3）改善系统的动态性能。

PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。

因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。

4）对负载有较好的供电波形。

PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。

图2-5 PWM型逆变器但PWM型逆变器也有如下缺点：1）在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。

2）在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。

3）器件的工作频率与调制频率有关。

有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。

2.2.2 PWM型逆变器的基本工作原理如图3-6所示为单相逆变器的主电路，其波形如图3.5所示。

PWM 控制方式是通过改变电力晶体管1VT 、4VT 和2VT 、3VT 交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；改变每半周期内41VT VT 、或32VT VT 、开关器件的通、断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。

图2-6 单相逆变器（0为直流电源的理论中心点）（a ）180°通电型输出方波电压波形（b ）脉宽调制型逆变器输出波形图2-7 电路的波形如果使相应开关器件在半个周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲电压下的面积接近于对应正弦波电压下面积，则逆变器输出电压就将很接近于基波电压，高次谐波电压将大为削减。

若采用快速开关器件，使逆变器输出脉冲数增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。

所以PWM 型逆变器特别适用于异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑起动、停车和高效率宽范围调速。

3 SPWM 控制的变频调速系统3.1 SPWM 控制的变频调速系统组成基于SPWM 控制的变频调速系统组成如图2-1所示。

控制电路——当今，PWM 变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。

微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。

本课题选用了STC89C52RC高性能单片机。

STC单片机发出的SPWM信号控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。

在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。

以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

图3-2 SPWM波形控制原理按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。

⏹如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

⏹如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

uU-U图3-3 一周期单极性SPWM波形3.2 SPWM波形的单片机实现波形数据的实时计算：由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP。

本文主要采用8位STC单片机实现单相SPWM信号。

方法：事先在计算机内存中存放正弦函数和T c /2值，控制时查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率查出相应的T c /2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。

3.2.1 SPWM控制方案SPWM控制方案有两种：即单极性调制和双极性调制法。

单极性法所得的SPWM信号有正、负和0三种电平，而双极性得到的只有正、负两种电平。

比较二者生成的SPWM波可知：在相同载波比情况下，生成的双极性SPWM波所含谐波量较大；并且在正弦逆变电源控制中，双极性SPWM波控制较复杂。

因此一般采用单极性SPWM波控制的形式。

由单片机实现SPWM控制，根据其软件化方法的不同，有如下几种方法：自然采样法、对称规则法、不对称规则法和面积等效法等。

理论分析发现面积等效法相对于其它方法而言，谐波较小，对谐波的抑制能力较强。

而且实时控制简单，利于软件实现。

因此本文采用面积等效法实现SPWM控制。

（1）正弦波PWM调制原理调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM ），产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。

图3-5所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波r u 为载波，正弦波C u 为调制波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲d u 。

u U u -U 图3-5 双极性脉宽调制波形SPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。

当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。

但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。

在实行SPWM 脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：①同步调制 在同步调制方式中，载波比N 等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。

如果取N 为3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120o 的对称关系。

当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。

②异步调制异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。

一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。

这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。

异步调制方式的缺点是当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。

③混合调制混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N取大些，一般大致按等比级数安排。

（2）SPWM信号的产生产生SPWM调制信号主要有三种方法：○1采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。

○2采用专用集成电路芯片产生SPWM信号，如常用的HE4752芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。

○3单片机数字编程法，其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机内，使单片机和SPWM信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM波形，实现各种控制算法和波形优化。

（3）SPWM的数字控制数字控制是SPWM目前常用的方法。

可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。

下面介绍几种常用SPWM波形的软件生成方法：○1自然采样法按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，从而生成SPWM波形，叫做自然采样法，如图3.8所示，图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。