基于FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

由于脈寬調(diào)制技術是通過調(diào)整輸出脈沖的頻率及占空比來實現(xiàn)輸出電壓的變壓變頻效果，所以在電機調(diào)速、逆變器等眾多領域得到了日益廣泛的應用。

而電磁法作為一種地球物理探測的有效方法，已經(jīng)廣泛地應用于礦藏勘探、地質(zhì)災害預測等領域。電磁法儀一般包括發(fā)射機和接收機兩大部分。現(xiàn)階段，電磁法儀器的發(fā)射機部分一般直接采用等寬PWM技術，其電流諧波畸變率較大，電壓利用率不高，效率很低。

本文利用FPGA技術，根據(jù)SPWM自然采樣法原理，設計了應用于電磁法儀的發(fā)射機的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，與原來的PWM產(chǎn)生的效果進行比較，得到良好的效果。

1 SPWM技術原理

SPWM信號的原理為：用一組等腰三角形波與一個正弦波比較，其交點作為開關管“開”或“關”的時刻。產(chǎn)生SPWM信號有多種方法，如諧波消去法、等面積法、采樣法等。

利用正弦波和等腰三角形的交點時刻決定開關管的開關模式，這種方法稱為自然采樣法。其可以分為單極性三角波調(diào)制法和雙極性三角波調(diào)制法，其原理圖如圖1所示。本文采用的是雙極性調(diào)制法。2 SPWM系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)先生成三角波信號和正弦波信號，通過兩者輸出的比較產(chǎn)生脈沖序列，并對輸出的脈沖進行死區(qū)延時、數(shù)字濾波等處理。主要模塊有：分頻器、三角載波發(fā)生器、正弦函數(shù)表尋址、正弦函數(shù)表、死區(qū)時間延時模塊和數(shù)字濾波模塊等。

2.2三角載波發(fā)生器

本設計中通過加減計數(shù)器來產(chǎn)生載波三角波，三角波的幅值取256。先從0開始計數(shù)到256，再從256減數(shù)到0，得到半個周期的三角載波，然后重復前半周期的計數(shù)方式，對得到的計數(shù)值取負，這樣就可以得到一個周期的三角載波。

圖3是三角載波模塊的仿真圖?？赏ㄟ^設定triwave_fp的值來實現(xiàn)三角波的分頻，當系統(tǒng)時鐘為10 MHz時，圖3(a)設triwave_fp為0，此時三角波周期為102.4 μs；圖3(b)設triwave_tp為1，其周期變?yōu)?04.8 μs。通過改變triwave_fp的取值，可以得到不同頻率的載波。2.3 正弦波發(fā)生器

本設計利用Matlab軟件工具，把正半周期的正弦波512等分后，把數(shù)據(jù)存人ROM中。調(diào)用ROM中的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)正半周期正弦波。再對正半周期取反，即可得到負半周期的值。本設計為了使得到的脈沖寬度可調(diào)，加上了正弦幅度相乘調(diào)節(jié)模塊，其模塊原理圖如圖4所示。

同樣，可以控制模塊分頻單元，和調(diào)幅單元，改變正弦波的頻率及幅度。

2.4 比較模塊

三角載波和正弦參考波發(fā)生模塊設計完成后，對其輸出的結(jié)果進行比較以產(chǎn)生SPWM脈沖信號?？梢酝ㄟ^Verilog硬件描述語言實現(xiàn)，比較規(guī)則設置為當載波的數(shù)值小于正弦波的函數(shù)值時，輸出‘1’，否則輸出‘0’。

2.5 死區(qū)時間延時模塊

比較模塊后，得到兩路SPWM序列信號(xl，xh)，用于控制電路的上下橋臂的開關。理論上，這兩路信號是完全互補的。然而，由于功率器件開通和關斷時間不完全相等，器件的關斷時間實際上要長于導通時間