基于Matlab的SPWM控制原理的仿真教学研究

潘海燕

(台州职业技术学院，浙江 台州 318000)

变频调速技术课程是电气自动化类课程的专业核心课，该课程的特点是实用操作性较强、控制原理理论知识不易理解。根据高职学生的特点，需要结合直观的方法进行操作式的原理讲解，来传授必需的理论知识。

SPWM(正弦脉宽调制)控制技术，是变频器的最基本控制方法，其原理知识是整个变频调速课程教学的出发点。由于涉及较多电机、电力电子方面的知识，概念较抽象，仅靠课堂上的理论讲解很难达到预期效果，尤其是输出电压和输出电流，学生很难与相应的SPWM控制信号对应起来。因此本文将根据SPWM控制原理的教学内容，采用Matlab/Simulink仿真教学的方式进行课堂教学的讨论。

1 变频器SPWM控制原理

SPWM技术是指利用PWM(脉宽调制)技术，来模拟输出具有正弦特性的电压或电流波形。PWM通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，SPWM是在PWM的基础上改变调制脉冲方式，使脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，如图1所示。若把一个正弦半波划分为N等分，每一等分的正弦波形的面积都可用一个与该面积相等的等幅矩形脉冲来代替。SPWM广泛用于直流-交流(DC-AC)逆变器电路，三相SPWM控制在变频器领域被广泛采用。

图1SPWM控制原理

2 仿真实验

以三相逆变电路为例，通过仿真演示SPWM控制信号的产生，和调整控制信号频率对逆变器输出电压/电流的影响。

2.1 SPWM控制信号产生电路

SPWM控制信号产生电路如图2所示，三个正弦波(调制波)分别与三角波(载波)相减，输入阈值为0的切换开关，若相减结果大于0，切换开关输出逻辑电平1，若相减结果小于等于0，切换开关输出逻辑电平0，由此得到三个上桥臂控制信号CV1、CV3、CV5，将三个上桥臂控制信号经反相器取反后，得到三个下桥臂控制信号CV4、CV6、CV2。CV1～CV6即为三相逆变电路的SPWM控制信号，其相位依次相差60°。

图2SPWM控制仿真电路

图3三相逆变电路

2.2 三相逆变电路

三相逆变电路如图3所示，电路由一个537V的直流电源供电，6个IGBT和续流二极管构成三相桥式逆变电路，其输出接入一个三相的RLC负载，中间加入了三相电压电流测量单元，并用示波器观察输出结果。

3 参数设置

仿真参数的设置既要符合实际，也要便于观察仿真结果。

3.1 SPWM控制信号

3.2 三相逆变电路负载

三相RLC负载模块参考三相电动机的有关参数进行设置，电阻设为2Ω，电感设为200mH。

4 仿真结果

4.1 SPWM控制信号

正弦波幅度设为1V，频率设为50Hz；三角波幅度设为1.5V，频率设为1kHz;得到CV1、CV3、CV5的SPWM控制信号如图4(a)所示，CV1与正弦调制波、三角波载波的对应关系如图4(b)所示。

图4SPWM控制信号仿真波形

若提高三角波的幅度至2V，频率保持1kHz，得到CV1的SPWM控制信号如图4(c)所示，一个正弦波周期内SPWM脉冲数量没有变化，但其占空比朝着增大的方向变化。因此，随着载波三角波的幅度加大，各个SPWM脉冲输出的占空比将增大。

若提高三角波的频率至2kHz，幅度保持1.5V，得到CV1的SPWM控制信号如图4(d)所示，一个正弦波周期内SPWM脉冲数量随着三角波的频率增加而增加。

4.2 三相逆变电路输出波形

正弦波幅度设为1V，频率设为50Hz，三角波幅度设为1.5V，频率设为1kHz，得到输出电压仿真波形如图5(a)所示，其中的电压输出波形包络线具有与三相交流电完全相似的特性，频率相同，幅度相同，相位依次相差120°。电流仿真波形如图5(b)所示，其中的电流输出波形具有与三相交流电完全相似的特性，频率相同，幅度相同，相位依次相差120°。

图5三相负载输出仿真波形

若提高三角波的幅度至2V，得到电流输出波形如图5(c)所示，其输出电流幅度明显减小。由此可知，保持载波三角波幅度不变，随着调制正弦波信号幅度的降低，输出电压电流将随之降低。

若提高三角波的频率至2kHz，得到电流输出波形如图5(d)所示，其输出电流波形平滑度明显改善，幅度保持不变。由此可知，提高载波三角波的频率，可以改善输出电压电流的谐波特性。

若改变调制正弦波的频率，重复上述仿真实验，可以得到类似的仿真结果，并且进一步得到结论：随着调制正弦波的频率增加，输出电压电流将随之增加。

因此，在变频调速系统中，改变调制正弦波的幅度和频率，将改变输出电压和电流的值，实现频率对负载的控制。

5 结论

针对变频调速课程中的重要知识点SPWM控制原理教学，引入Matlab仿真技术，对SPWM控制信号产生,三相逆变电路建模、参数设置进行了仿真研究。设计了几个对比性较高的仿真实验，包括改变载波三角波的幅度和频率对输出电压电流的影响、改变调制正弦波的幅度和频率对输出电压电流的影响。通过这一系列的仿真实验，学生对SPWM控制原理有了更加深刻的理解，相比较传统的理论讲解，具有更为明显的教学效果。