PWM、SPWM、SVPWM

1、三种PWM的介绍

//三者的关系
PWM（脉宽调制）
    ├── SPWM（正弦脉宽调制）—— 调制波为正弦波
    └── SVPWM（空间矢量脉宽调制）—— 调制波为马鞍波（由空间矢量合成）

　　简单理解：
　　　　PWM：一种用数字信号模拟模拟电压的方法（固定频率，改变脉冲宽度）。
　　　　SPWM：让脉冲宽度的变化规律呈正弦分布，目的是输出正弦电压。
　　　　SVPWM：从电机磁场矢量的角度，直接合成所需的旋转电压矢量，脉冲宽度由矢量计算决定。

　　三者是电力电子和电机控制领域从基础到进阶的脉冲宽度调制技术​，从概念上是包含进阶关系：PWM是统称，SPWM是正弦规律变化的PWM，SVPWM是针对电机优化的空间矢量PWM，三者核心区别和特点总结如下：

　　（1）、PWM（脉冲宽度调制）—— 基础原理

　　PWM是所有这类技术的基础，核心原理是面积等效原理​：用离散的开关量模拟连续电压，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上，效果基本相同。 它的核心特征是：固定开关频率，通过改变占空比​（高电平在一个周期内的占比）调节等效输出电压。

　　定义：PWM 是一种通过调整方波脉冲的占空比（Duty Cycle） 来等效输出不同平均电压的技术。
　　原理：
　　　　固定开关频率（如 10kHz ~ 20kHz）
　　　　在一个周期内，高电平时间 Ton，周期 T
　　　　平均电压 = Ton / T × Vdc
　　　　电感/电容负载会平滑这个脉动电压
　　优缺点：
　　　　原理简单，易于数字实现
　　　　开关损耗可控
　　　　仅能输出直流平均电压，不能直接输出正弦波
　　　　直接用于电机时，电流波形很差（方波/梯形波）

　　典型应用：LED调光、直流有刷电机调速、开关电源调压
　　局限性：无法直接生成连续变化的正弦交流电，直接驱动交流电机会产生大量谐波，导致电机发热严重
　　注意： 单纯的 PWM 只解决了“如何改变电压幅值”的问题，但没解决“如何让电压按正弦变化”的问题

　　本质是利用面积等效原理来改变波形的有效值。举个例子，一个电灯只有开和关两个状态，那么要怎么让它实现50%亮度的效果的呢？只需要让它在一半时间开，一半时间关，交替执行这两个动作只要频率足够高，在人眼（低通滤波器）看起来就是50%亮度的样子了。而其中高电平占一个开关周期的比例，就叫做占空比。利用PWM可以实现使用离散的开关量来模拟连续的电压值。

　　（2）、SPWM（正弦脉宽调制）

　　SPWM是PWM针对逆变场景的优化，核心思路是让PWM脉冲的宽度按照正弦波规律变化，经过滤波后输出等效正弦波。 实现方式通常是将正弦调制波和三角载波对比，交点位置决定每个周期的占空比，最终得到一组等幅不等宽、符合正弦规律的脉冲序列。

　　定义：用正弦波作为调制波，与高频三角载波比较，生成宽度按正弦规律变化的 PWM 脉冲序列。　　

　　原理（三步）：
　　　　生成三个互差 120° 的正弦波（调制波）
　　　　生成高频三角波（载波）
　　　　交点比较：正弦波 > 三角波 → 输出高电平；否则低电平
　　波形特点：
　　　　脉冲宽度在正弦波峰值处最宽，过零点处最窄
　　　　经过电机绕组（电感）滤波后 → 电流近似正弦波
　　　　相电压波形：正弦波
　　　　线电压波形：正弦波

　　数学特性：
　　　　输出相电压峰值 ≤ 母线电压的一半（线性调制区）
　　　　母线电压利用率 = √3/2 ≈ 0.866（比较低）
　　优缺点：
　　　　原理直观，实现简单（查表或实时计算）
　　　　电流波形正弦，转矩脉动小
　　　　母线电压利用率低（同电压下电机转速受限）
　　　　谐波含量较高（主要是载波频率附近的边带谐波）

　　典型应用：工频逆变器、简易变频器、低端三相电机驱动、UPS电源
　　核心局限：直流母线电压利用率仅为86.6%​​，当调制度最大为1时，输出线电压最大幅值只有0.866倍直流母线电压，有约13.4%的电压能力被浪费，限制了电机的最高转速和输出功率。

　　如果要平稳地驱动三相电机转动，我们就需要生成三个相位相差120度的正弦波，但是我们最终的控制对象是MOS管的开通和关断，只有电压最大值和0值两个状态啊，怎么去生成连续变化的正弦波呢？用前面提到的PWM技术就可以做到，所谓SPWM就是这么干的，如下图：

　　观察一下上图的波形，我们用上面坐标系中的正弦波和三角波的交点投影到下面的坐标轴，以此确定PWM的占空比变化规律，这样合成的PWM波，经过低通滤波器之后，其实就等效为了一个正弦波。所以SPWM就是在PWM的基础上用正弦波来调制合成的具有正弦波规律变化的方波。
　　不过SPWM调试方式在FOC实现中并不常用，原因是SPWM要比后面要说的SVPWM的母线电压利用率要低15%。

　　另一方面，从控制的角度来看，我们甚至根本就不想跟什么三个正弦波打交道！
　　因为要对于非线性的信号进行准确控制就要使用复杂的高阶控制器，这对于建模成本、处理器算力、控制实时性等都是不利的。简单地说就是，咱们控制器的反馈输入变量不是三个电流采样值嘛，你要我稳稳地跟踪三个正弦波太麻烦啦！能不能简单点跟踪一条直线（常量）啊？
　　答案是可以的~只需应用一点数学小技巧

　　（3）、SVPWM（空间矢量脉宽调制）

　　SVPWM是针对电机驱动设计的更优算法，它不再单独对每相正弦波进行调制，而是将逆变器和电机视为整体，通过空间电压矢量合成逼近理想圆形旋转磁场。 它的核心思路是将三相桥式逆变电路的8种开关状态对应为8个基本空间电压矢量，通过组合相邻矢量和零矢量，合成任意位置的目标电压矢量，最终得到PWM驱动信号

　　定义：
　　　　从电机定子磁链矢量的角度，用逆变器的 8 个基本电压矢量（6个有效矢量 + 2个零矢量），在一个开关周期内合成任意方向的旋转电压矢量。
　　原理（关键步骤）：
　　　　把电机需要的目标电压矢量 Uref（旋转矢量）放在 α-β 坐标系
　　　　判断 Uref 落在哪个扇区（共 6 个扇区，每个 60°）
　　　　用该扇区相邻的两个有效矢量（Ux, Uy）和零矢量（U0, U7）来合成 Uref
　　　　计算每个矢量的作用时间 T1, T2, T0
　　　　按对称七段式或五段式输出 PWM 波形
　　数学特性：
　　　　在相同母线电压下，输出相电压峰值可达 Vdc/√3
　　　　母线电压利用率 = √3/2 × 2/√3？ 实际结果：0.907（比 SPWM 高约 5%）
　　　　更精确说：SVPWM 的线性调制范围比 SPWM 扩大 15.5%
　　波形特点：
　　　　相电压波形：马鞍波（叠加了 3 次谐波）
　　　　线电压波形：正弦波
　　　　相电流波形：正弦波
　　为什么相电压是马鞍波？
　　　　因为 SVPWM 允许加入共模 3 次谐波
　　　　3 次谐波不会产生电流（电机绕组不响应）
　　　　但能让基波电压幅值更高，提高母线利用率
　　优缺点：
　　　　母线电压利用率高（约 0.907）
　　　　谐波畸变率低（THD 小）
　　　　开关损耗与 SPWM 相近或略优
　　　　数字实现方便（直接对应矢量控制）
　　　　算法复杂度高（涉及三角函数、扇区判断、时间计算）
　　　　对 MCU 算力要求更高

　　SVPWM是目前常用的脉宽调制技术，基于空间矢量脉宽调制方法，实现了比SPWM更高的电压利用率。关于SVPWM的具体实现在后面进行详细讲解，这里先说SVPWM的结果，SVPWM解算完成以后输出的是马鞍波，图形如下所示：

　　这也是与SPWM最大的不同，SPWM的调制波是正弦波，而SVPWM的调制波是马鞍波。SVPWM输出三相调制波中存在共模分量（零序分量），该分量的存在不对实际三相电机负载产生影响，但是存在中性点对地的电位浮动，同时就是该零序分量的存在，提高了电压利用率。零序分量中含有大量的三次谐波，因此我们也可以通过正弦波与其对应的三次谐波来合成马鞍波。 SVPWM调制信号中基波、零序分量及合成的马鞍波如下所示：

　　一句话总结关系：
　　PWM是基础调幅方法，SPWM用正弦规律实现了正弦波输出，SVPWM从电机磁场控制角度优化，解决了SPWM电压利用率低、谐波大的问题，是目前高性能电机驱动（如FOC矢量控制）的主流调制方案。

2、三种PWM的对比

3、SPWM vs SVPWM vs 控制方法

　　SVPWM相比SPWM的核心优势

　　两者的本质联系
　　数学上SVPWM等价于在SPWM的三相调制波中注入特定零序分量（三次谐波）​​，注入的零序分量在三相三线制电机中会自动抵消，不会影响输出电流，同时可以"削峰填谷"压低波峰，让调制波不超出载波范围，最终实现更高的电压利用率。SVPWM最终输出的相电压调制波会呈现特殊的马鞍形状，也就是常说的"马鞍波"。

　　很多人会混淆“调制方式”和“控制方法”。
　　SPWM 是一种调制方式（如何生成PWM波）。
　　SVPWM 也是一种调制方式（空间矢量合成）。

　　SPWM：调制波直接用正弦波，与三角载波比较，直接产生正弦电压。
　　SVPWM：调制波不是直接给正弦波，而是通过算法合成出马鞍形的波形（其中隐含了零序分量），等效输出正弦电压。

　　电压正弦波控制 通常绑定 SPWM，因为它的目标是电压正弦。
　　FOC 可以选择用SPWM或SVPWM。但工业上FOC几乎都使用SVPWM，因为：
　　　　电压利用率高约15%。
　　　　谐波小，电流波形更好。
　　　　更易数字化实现。
　　　　开关损耗低。
　　一句话区分：
　　　　电压正弦波控制 = 简单开环 + SPWM
　　　　FOC = 复杂闭环 + SVPWM (通常) + 电流/速度反馈