（2）规则采样法
将自然采样法中的正弦调制波以阶梯调制波进 行拟合后一种简化的SPWM脉冲信号发生方法， 其原理如图所示
每个载波周期中，原正弦调制波与三角载波周 期中心线的交点就是阶梯波水平线段的中点。这 样三角载波与阶梯波水平线段的交点A、B两点就 分别落在正弦波的上下两边，从而减小了阶梯波 调制的误差。
演讲人：王宁
➢主要内容
一、SPWM工作原理
二、单极性SPWM工作原理 三、双极性SPWM工作原理
一、SPWM工作原理
SPWM（Sinusoide Pulse Width Modulation）即正弦波
脉冲宽度调制，它是脉冲宽度按正弦函数变化的
PWM调试。
在采样控制理论中有一个重要的结论—冲量等 效原理： 大小、波形不相同的窄脉冲变量作 用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积）， 即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。 这里所说的效果基本相同，是指惯性系统的输 出或响应是基本相同的。
时，由于一个调制波周期中的脉冲数较少，脉冲波形的不对称性所 造成的基波相位跳动的相角相对变大。
由于载波频率 f c 固定，因而逆变器具有固定的开关频率。 当调制波频率 f r 变化时，载波比N与调制波频率 f r 成反比。 例如，当调制波频率 f r 变高时，载波比N变小，即一个周期的
脉冲数变少。
在同步调制方式中，由于载波比N保持恒定，因而当 f r 变化 时，调制波信号与载波信号应保持同步，即 f r 与 f c 成正比， 因此，同步调制具有以下特点： 由于载波频率 f c 与调制波频率 f r 成正比，因而当调制波频率 f r 变化时，载波频率 f c 也相应变化，这就使逆变器开关频率不固定。 例如，当调制波频率 f r 变高时，载波频率 f c 同步提高，从而使开 关频率变高。
t1
✓其原理如右A tB t
t'2 t'2'
t2
t3
Tc
t
图1.2.1 SPWM脉冲信号自然采 样法生成原理
若令三角载波幅值 u cm＝1，调制度为M，正弦调制波角频率
为 1 ，则正弦调制波的瞬时值为
ur Msin1t
1
A
由右图可知，并根据相似三角形的几何关系可
得自然采样法SPWM脉宽t2的表达式为
如右图所示
1.1 调制方式
在SPWM逆变器中，载波频率 f c 与调制信号 频率 f c 之比 Nfc/ fr ,称之为载波比。根 据载波与信号波是否同步及载波比的变化 情况，SPWM逆变器调制方式分为同步调制 与异步调制
(1) 同步调制
对于任意的调制波频率 f r ，载波比N保持恒定的脉宽调制 成为同步调制。
另外，由于A、B两点对于三角载波周期中心线 对称，因而使SPWM脉冲信号发生得以简化。
ωt o
ωt
b)
当载波比N为奇数时，由于SPWM波形的对称性，无论fr高 低，都不会导致基波相位的跳动。
由于同步调制时的开关频率随 f r 的变化而变化，所以对于 需要设置输出滤波器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而 言，输出滤波器参数的优化设计较为困难。
当 f r 变高时，f c 变高，从而使开关频率变高，输出谐波减 小；当 f r 变低时，f c 变低，从而使开关频率变低，输出谐波 增大。 因此采用同步调制时，SPWM的高频性能好，而低频性能较 差。为了克服这一不足，同步调制时，应尽量提高SPWM的 载波比N，但较高的载波比设计会使调制波频率变大时逆变器 的开关频率增加，从而导致开关损耗增加。
当调制频率 f r 固定时，一个调制波正负半个周期中的脉冲数
不固定，起始和终止脉冲的相位角也不固定。换言之，一个调制
波正负半个周期以及每个半个周期中前后1/4周期的脉冲波形不
具有对称性。
u
uc
ur
u
uc
ur
不同调制波频率
o
o ωt
ωt
时的异步调制
SPWM波形 up
up
o a)
ωt
o
ωt
b)
1.2 SPWM控制的实现方法
由于载波比N保持一定，当调制波频率 f r 变化时，一个调制波周 期中的脉冲数将固定不变。
当载波比N为奇数时，一个调制波正负半个周期以及半个周期 中的前后1/4周期的脉冲波形具有对称性。
不同调制波频率 f r 时的同步调制SPWM波形如下图所示
u
uc
ur
u uc ur
o
ωt o
ωt
up o
a)
up
tA
B
Msin1t
tB t
t2T 2 c[1M 2(sin1tAsin1tB)
显然上式是个超越方程，运算求解较为困难。 可见，自然采样法不便应用于基于微处理器 的数字SPWM控制系统中。为此，必须对自 然采样法进行简化。
t'2 t'2'
t1
t2
t3
Tc
t
图1.2.2 SPWM脉冲信号自然采 样法生成原理
异步调制具有以下特点
由于异步调制时的开关频率固定，所以对于需要设置输出滤波 器的正弦波逆变器（如UPS逆变电源）而言，输出滤波器参数的 优化设计较为容易。
由于一个调制波周期中脉冲波形的不对称性，将导致基波相位的 跳动。对于三相正弦波逆变器，这种基波相位的跳动会使三相输出 不对称。
当 f r 较低时，由于一个调制波周期中的脉冲数较多，脉冲波形 的不对称性所造成的基波相位跳动的相角相对较小；而当 f r 较高
（2） 异步调制
载波信号和调制信号不同步的调制方式即为异步 调制。通常保持载波频率 f c 固定不变，当调制信号 频率 f r 变化时，载波比 N 是变化的。当 f r 较低时， N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不 利影响都较小，当 f r 增高时，N 减小，一周期内的 脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大，还会出 现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异 也变大，电路输出特性变坏。因此，在采用异步调制 方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频 率较高时仍能保持较大的载波比，从而改善输出特性。
实现方法
模拟实现
计算法
自然采样法 规则采样法 直接PWM法
专用SPWM集成电路
（1）自然采样法
✓自然采样法就是通过联立三角载波信号和正 1 弦调制波信号的函数方式，并求解三角载波信
号和正弦调制波信号交点的时间值，从而求出 相应的脉宽和脉冲时间，以生成SPWM脉冲信 号。
✓自然采样法实际上就是模拟比较法的数字实 现