一種新型數(shù)字SPWM信號(hào)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了有效地降低逆變器負(fù)載的諧波，并且防止同一橋臂的功率放大管出現(xiàn)直通現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的新型數(shù)字SPWM波形產(chǎn)生方案。結(jié)合直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，在FPGA內(nèi)部采用硬件描述語言生成數(shù)字的正弦波和三角波，然后采用了比較的方法直接產(chǎn)生所需要的SPWM波形。創(chuàng)新性為運(yùn)用了數(shù)字正弦波或三角波的平移技術(shù)產(chǎn)生所要求的死區(qū)，最后提出了數(shù)字方法產(chǎn)生SPWM波形的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的解決方法。
關(guān)鍵詞：FPGA；SPWM；直接數(shù)字頻率合成；死區(qū)產(chǎn)生

0 引言
PWM(Pulse Width Modulation)是通過調(diào)節(jié)輸出波形的脈沖寬度來改變輸出電壓大小的一種調(diào)制方法，在交流傳動(dòng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)和控制領(lǐng)域有著廣泛的用途，但采用PWM調(diào)制技術(shù)在負(fù)載上的電流波形是非正弦波，這就使負(fù)載上具有很多的高次諧波成份，對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)和穩(wěn)定性造成很大的危害。正弦型脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)是一種使輸出的PWM波形按正弦的規(guī)律進(jìn)行變化的技術(shù)，從而大大的提高了后級(jí)功率開關(guān)器件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的效率。常見的SPWM波形產(chǎn)生方法主要有兩種：一種是利用專門的SPWM產(chǎn)生芯片如TMS320 F2812來產(chǎn)生，這種方法的特點(diǎn)是一次可以產(chǎn)生6路或12路SPWM信號(hào)；另一種方法利用自然采樣法的原理，采用數(shù)字或模擬方法產(chǎn)生三角波和正弦波，再使用比較器對(duì)產(chǎn)生的三角波和正弦波進(jìn)行比較而得到SPWM波，這種方法產(chǎn)生SPWM波的路數(shù)比較靈活，電路原理簡(jiǎn)單，但具體實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。
1971年3月，美國(guó)學(xué)者J．Tiemcy，C．M．Rader和B．Gold提出了從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理，稱之為直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。DDS技術(shù)是一種直接數(shù)字合成方法，不需要振蕩和鎖相環(huán)節(jié)，直接將波形函數(shù)進(jìn)行離散化，以時(shí)間為地址，幅度為量化數(shù)據(jù)，依次存入波形存儲(chǔ)器，使連續(xù)的數(shù)據(jù)流通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生需要的波形。本文利用FPGA內(nèi)部的DDS模塊產(chǎn)生離散化的正弦波和三角波，進(jìn)而產(chǎn)生數(shù)字的SPWM波形，再經(jīng)過死區(qū)產(chǎn)生、脈沖消去處理后就得到了可以驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率放大管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用該方法可以靈活的產(chǎn)生所需的任意調(diào)制比和載波比的SPWM波形，并且可以使負(fù)載上諧波含量大大減小，有效的保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 SPWM波形的FPGA實(shí)現(xiàn)
根據(jù)SPWM自然采樣法的原理，產(chǎn)生適合逆變器功率放大管所需的SPWM信號(hào)的電路主要包括正弦波產(chǎn)生模塊、三角波產(chǎn)生模塊、比較和死區(qū)產(chǎn)生模塊和脈沖消去模塊，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

正弦波產(chǎn)生模塊根據(jù)主控制器傳來的頻率控制字從ROM表中讀出相應(yīng)的正弦波的離散值，同樣，三角波產(chǎn)生模塊根據(jù)頻率控制字從存儲(chǔ)三角波的ROM表中讀出三角波的離散值，比較器和死區(qū)產(chǎn)生模塊根據(jù)傳來的正弦波和三角波的離散值進(jìn)行比較，直接進(jìn)行比較產(chǎn)生上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將正弦波離散值或三角波離散值加上一個(gè)特定的值或減去一個(gè)特定值再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生上橋臂對(duì)應(yīng)的下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)已經(jīng)是帶死區(qū)的SPWM信號(hào)，再經(jīng)過脈沖消去模塊，消去功率器件來不及反應(yīng)的窄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后就可以得到直接驅(qū)動(dòng)逆變器的一對(duì)SPWM信號(hào)。
1．1 波形產(chǎn)生模塊
DDS技術(shù)是一種全數(shù)字的頻率合成技術(shù)，是將已知的信號(hào)經(jīng)過取樣、量化，形成可供查詢的數(shù)據(jù)表存于數(shù)據(jù)ROM中，通過改變頻率控制字來改變輸出所需頻率的一種技術(shù)。如圖2所示，DDS主要由頻率控制字、累加器、相位寄存器、時(shí)鐘源、加法器、相位控制字、波形查找表、DAC和LPF等模塊組成。但因本設(shè)計(jì)不需要模擬信號(hào)，直接使用其中的數(shù)字信號(hào)，故不需要DAC和LPF模塊，全部在FPGA內(nèi)部數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。數(shù)字三角波的產(chǎn)生和數(shù)字正弦波的產(chǎn)生一樣，惟一不同就是在波形表中用量化后的三角波數(shù)據(jù)代替正弦波數(shù)據(jù)。

DDS的FPGA實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，波形存儲(chǔ)器直接調(diào)用芯片的ROM模塊，先把正弦信號(hào)量化，為了精確，這里采用一個(gè)周期量化2 048個(gè)點(diǎn)，用Madab編寫正弦波和三角波的量化程序，按照FPGA的mif文件編寫格式，處理后再?gòu)?fù)制到記事本中加上表頭和結(jié)尾，保存為mif格式后，在ROM模塊中初始化指向這個(gè)文件即可。從波形查找表中讀出的數(shù)字正弦值信號(hào)就可以作為比較器和死區(qū)產(chǎn)生模塊的輸入了。數(shù)字三角波模塊和正弦波模塊生成的方法相同，不再贅述。