PMSM驱动控制学习：逆变电路基础与SPWM
PMSM驱动控制学习：逆变电路基础与SPWM
在深入讲解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）。
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”。
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。
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。
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。
- 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+）；
- 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
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
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。