一種基于FPGA的帶死區(qū)的SPWM波形產(chǎn)生的設(shè)計與實現(xiàn)詳解

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、電力拖動系統(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，這種方法的特點是一次可以產(chǎn)生6路或12路SPWM信號；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，電路原理簡單，但具體實現(xiàn)比較復(fù)雜。

1971年3月，美國學(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，以時間為地址，幅度為量化數(shù)據(jù)，依次存入波形存儲器，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)動后級功率放大管的驅(qū)動信號，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，有效的保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 SPWM波形的FPGA實現(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)動信號，將正弦波離散值或三角波離散值加上一個特定的值或減去一個特定值再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生上橋臂對應(yīng)的下橋臂驅(qū)動信號，這時產(chǎn)生的信號已經(jīng)是帶死區(qū)的SPWM信號，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)動信號，最后就可以得到直接驅(qū)動逆變器的一對SPWM信號。

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)計不需要模擬信號，直接使用其中的數(shù)字信號，故不需要DAC和LPF模塊，全部在FPGA內(nèi)部數(shù)字化實現(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)。

軟件實現(xiàn)方法與脈沖消去方法大致相同，一般都是設(shè)計一個加減計數(shù)器，根據(jù)死區(qū)時間來確定加減計數(shù)器的最大值d，由計數(shù)器的最大值d來確定死區(qū)時間。這種實現(xiàn)方法是一般的實現(xiàn)方法，本設(shè)計提出了一種新型的死區(qū)產(chǎn)生方法，如圖4所示，實線表示正常采用自然采樣法的正弦波形和三角波形，正弦波y=Ussin x的半波的幅度為Us，三角波的幅度為Ut，根據(jù)自然采樣法的原理，這里假定正弦波大于三角波時輸出為高電平，小于時輸出為低電平，根據(jù)正弦波和三角波的交點及電平輸出的判斷規(guī)則可以得到SPWM脈沖的第一路波形，這時把正弦波向上平移b個單位，如圖4中的虛線，正弦波形y=Ussin x變?yōu)閥=Ussinx+6，再根據(jù)自然采樣法的原理用平移后的正弦波和三角波相交，根據(jù)交點判斷輸出高低電平，這樣判斷輸出的電平高低就可以得到第二路的SPWM波形，生成了SPWM波形的死區(qū)，在本設(shè)計中采用的是數(shù)字方法產(chǎn)生SPWM，根據(jù)圖4，可以在程序中按原來的方法產(chǎn)生第一路信號，把從ROM中取出的正弦信號加上b，再和原來的方波信號進(jìn)行比較，這樣就可以得到第二路SPWM信號，同樣道理，也可以把三角波向上平移b個單位來產(chǎn)生第二路SPWM信號，但不管平移正弦波或三角波，都要保證平移后的正弦波的波形幅度要小于三角波的波形幅度。也可以設(shè)計第三個ROM，在程序外把經(jīng)過向上平移后的正弦波形進(jìn)行量化，存入ROM表中，在程序中用這個表和三角波的離散值進(jìn)行比較，只是這樣設(shè)計會增加FPGA硬件資源的消耗和增大存儲器的存儲空間。

正弦信號往上偏移值b的確定是根據(jù)死區(qū)時間的值來確定的，這個值越大，則死區(qū)時間也越長，所以，可以調(diào)節(jié)b的值來增大或減小死區(qū)時間。一對經(jīng)過死區(qū)處理后的SPWM波形如圖5所示，從圖5中可以看出，死區(qū)時間為16μs。

1．3 脈沖消去模塊

在產(chǎn)生的SPWM脈沖中，完整的SPWM脈沖序列包含了占空為從0～100％的脈沖，因此有些脈沖的寬度可以達(dá)到非常小，而實際上，過窄的脈沖是無用的，因為在這樣短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，后級的功率放大管是不能完全導(dǎo)通或關(guān)斷，只會增加功率器件的損耗，所以必須刪除這些不良窄波；如圖4所示，第二路的SPWM波形會出現(xiàn)比第一路SPWM波形小兩倍死區(qū)時間的脈沖，如果某個脈沖已經(jīng)在臨界的寬度了，經(jīng)過死區(qū)產(chǎn)生模塊就會變成一個對后級的功率管來說過窄的脈沖，這也就是脈沖消去模塊在死區(qū)模塊后級的原因，它的作用是消去一些本來就有的和經(jīng)過死區(qū)處理后的毛刺。處理后的波形如圖6所示，圖7為處理后的一對帶死區(qū)的SPWM波形。

不論采用這種方法產(chǎn)生的SPWM波形，還是利用加減計數(shù)器的方法來產(chǎn)生SPWM波形，經(jīng)過脈沖消去模塊，都會存在輸出的兩路SPWM脈沖不對稱性問題，如圖7所示，就是有可能其中一路的波形缺失或所對應(yīng)的另一路波形出現(xiàn)缺失，但這個問題可以在脈沖消去后再加一個模塊進(jìn)行處理而避免；對于載波頻率變小時負(fù)載諧波變大的問題可以參考器件參數(shù)采用一定頻率范圍內(nèi)的動態(tài)載波比和動態(tài)死區(qū)時間來解決。

2 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于FPGA的帶死區(qū)的SPWM波形產(chǎn)生技術(shù)，對于SPWM的死區(qū)產(chǎn)生，一般都是應(yīng)用加減計數(shù)器來實現(xiàn)，本文提出了一個新的選擇，把死區(qū)產(chǎn)生模塊融合到了比較模塊中，利用波形平移技術(shù)，巧妙的產(chǎn)生了所要求死區(qū)時間的SPWM波形。生成的SPWM波形輸出給后級的功率放大電路，檢測系統(tǒng)負(fù)載上的電壓和電流波形為較好的正弦波形，很好地滿足了設(shè)計的要求。