（六）PMSM驱动控制学习---逆变电路基础与SPWM

⭐在深入讲解我们FOC控制中的SVPWM调制算法之前，为了让不少零基础的朋友能够更好地理解，并对自己学习的一个回顾，在这一篇里，我们将会对逆变电路进行简单讲解，并且介绍我们的SPWM（正弦脉宽调制）。

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目录

1. 逆变电路定义

2.逆变电路分类 及其 换流方式

（1）逆变电路的分类

（2）换流

3.逆变电路基本工作原理

4.其他逆变电路简单介绍 

（1）电压型单相半桥逆变电路

（2）电压型三相逆变电路

5.冲量等效定理 与 SPWM

6.SPWM正弦脉宽调制

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1. 逆变电路定义

👉通常把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路

逆变电路（Inverter Circuit） 是一种将直流电（DC）转换为交流电（AC）的电力电子变换电路，广泛应用于新能源发电、工业驱动、家用电器等领域。

⭐ 功能：将直流电源（如电池、光伏板）的直流电转换为频率、幅值可调的交流电。

⭐ 本质：通过电力电子开关器件（如IGBT、MOSFET）的快速通断，模拟正弦波或其他波形输出。

⭐ 类比：可视为“电能翻译器”，将直流电的“单方向流动”转换为交流电的“周期性交变”。

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2.逆变电路分类 及其 换流方式

（1）逆变电路的分类

其中我们主要学习的是无源、 电压型 、单相的逆变电路

（2）换流

 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流   常用方式为器件换流

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3.逆变电路基本工作原理

这里我们先用电压型单相桥式逆变电路为例（全桥逆变电路，也称H桥），说明其最基本的工作原理。

 当我们T1和T4导通的时候，负载得到的是正的Vd（方向向右为正）

 当我们T2和T3导通的时候，负载得到的是负的Vd

当T1和T3导通时（T2或T4导通时），负载得到电压为0

但是我们不能将T1，T2（T3，T4）同时导通，因为会造成短路烧坏电路

⭐所以经过不同的开关组合模式，负载就可以得到我们想要的交流波形

⭐但是在开关组合切换的时候，可能由于软件或硬件延迟误差等原因，我们电路同一侧开关可能同时导通，形成短路。所以在实际工程上，我们需要一个死区时间。

比如我们要使负载：

从+Vd——>0即开关T1T4——>T1T3

 我们为了防止T3T4导通，会先关断T4，持续一段时间，再打开T3，从而实现安全切换

这段时间就是死区

而在死区时间里，从负载流过的电流，虽T3未开启，还是可以通过T3器件上在生产时早已安装好的的续流二极管向直流侧反馈能量

并且当用于电动机驱动时，由于电动机负载存在感性，IGBT 可能会被电机这种感性负载击穿。因此功率器件需要在开关关闭时由续流二极管提供的感应电动机电流路径，以此来保护功率器件。并联的二极管只将这个 “自感反相电压” 短路掉了，对正向电压是 没有作用的，永远相当于断开。

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 4.其他逆变电路简单介绍 

        （1）电压型单相半桥逆变电路

        其主要由两个开关器件（如IGBT或MOSFET）和两个电容组成。其核心工作原理是通过高频切换这两个开关器件，从而生成所需的交流电压。 

1. ‌V1导通，电流从电源电压的上半部分流动 ，上边电容存储能量（上+下-），负载输出电压为+Ud/2（左-右+）
2. ‌‌当V2导通，电流在电路的下半部分流动 ，下边电容（上+下-）存储能量 ， 负载输出的电压为-Ud/2（左+右-）

        （2）电压型三相逆变电路

        电压型三相逆变器可由图所表示的6个开关元件来等效表示，可以看作由三个半桥组成。

        电机的相电压和线电压依赖于它所对应的逆变桥臂上下6个功率开关的状态，图中，为直流母线电压Vdc，A、B、C为开关状态量。规定当各开关状态量为1时上桥臂导通，开关状态量为0时下桥臂导通，且各相上下桥臂不能同时导通。

        则由6个开关的不同组合可以构成逆变器8种不同的工作状态。（此电路也是我们pmsm驱动所用到的逆变电路）

        三相逆变器在电机控制中的详细解释在我的BLDC篇有提到，链接如下：

（二）BLDC驱动控制---有感控制

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5.冲量等效定理 与 SPWM

冲量等效定理：冲量（变量对时间的积分）相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节时，其效果基本相同

        把图中的正弦波分成N份，就可以把正弦波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。（因为需要的是窄脉冲，所以这个N越大约好）这些脉冲宽度都相等，但幅值不等。所以根据冲量等效定理 ，我们选用等幅值而不等宽的矩形脉冲代替，使其对应的整体面积相等，如上图。

        矩形脉冲就是我们的PWM波形，而宽度是按正弦规律变化的。

       ⭐ PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。像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（Sinusoidal PWM）波形

         ⭐从而我们可以通过控制逆变电路的开关模式的切换，以及时间的控制，输出我们需要的SPWM波，经过滤波等处理，可以得到我们需要的正弦交流电。

        但是问题出现了，我们目标输出的波形不同，对应的操作也会不同。难道我们要用我们的单片机控制不断的改变开关状态来实现吗？

        这样会加大我们逆变电路的开关损耗，并且编程困难，对mcu的算力造成很大负担。

        那么有没有更加简单强势的方法呢？

        有的，兄第有的

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6.SPWM正弦脉宽调制

这里由图我们能发现，我们的PWM波形在半个周期内，脉宽是由小变大在变小，且幅值相同（或者看作低为0和高为1）。我们知道，单片机十分擅长值的比较，其输出布尔类型的值也为0与1，那我们能不能通过两个连续信号的比较，使我们的输出形成这样的波形呢？

 这里我们介绍一下调制波和载波

✨调制波：是低频信号，通常为正弦波，其频率和幅值决定了输出交流电的频率和幅值。在SPWM中，调制波是目标输出的理想波形。

✨载波：载波是 高频信号，通常为三角波或锯齿波，用于与调制波比较生成PWM信号

因为单片机生成正弦信号是容易的，所以我们调制波也就对应着我们最后需要的正弦交流电，其频率，相位等信息均一致。

而载波就是我们用来对比产生PWM波的，也可以说是决定我们开关情况的信号。有我们的前辈发现，当正弦波与三角波进行比较的时候，正弦波大于三角波输出1（高电平），小于输出0。这时候生成的波形就恰好是先窄后宽再窄的PWM。

所以SPWM是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，使脉冲宽度时间占空比按照正弦规律排列，这样输出的波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

        这是是我们常用的三角载波。当三角载波的频率越高（正弦波频率低，既调制比越大），正弦波就被划分的越细，此时就越满足我们冲量等效定理中的窄脉冲的概念，调制效果也就越好。（图中正弦负波同理。）

        改变调制波的幅值时，SPWM脉冲信号的脉宽将随之改变，从而改变了输出电压的大小；改变调制波的频率时，输出信号的基波频率也随之改变，这样可以实现对我们目标波形既调压又调频的目的。

👉有了上述的条件，我们就可以用我们的微控制器（调制电路），来控制我们的逆变电路输出（弱电控强电），在经过滤波等操作，得到我们所需要的正弦波。