采用FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0? 引? 言

由于脈寬調(diào)制技術(shù)是通過(guò)調(diào)整輸出脈沖的頻率及占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變壓變頻效果，所以在電機(jī)調(diào)速、逆變器等眾多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

而電磁法作為一種地球物理探測(cè)的有效方法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦藏勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。電磁法儀一般包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分?，F(xiàn)階段，電磁法儀器的發(fā)射機(jī)部分一般直接采用等寬PWM技術(shù)，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(shù)，根據(jù)SPWM自然采樣法原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電磁法儀的發(fā)射機(jī)的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，與原來(lái)的PWM產(chǎn)生的效果進(jìn)行比較，得到良好的效果。

1 SPWM技術(shù)原理

SPWM信號(hào)的原理為：用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波比較，其交點(diǎn)作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。產(chǎn)生SPWM信號(hào)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(diǎn)時(shí)刻決定開關(guān)管的開關(guān)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(shí)現(xiàn)

2.1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)先生成三角波信號(hào)和正弦波信號(hào)，通過(guò)兩者輸出的比較產(chǎn)生脈沖序列，并對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行死區(qū)延時(shí)、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(shí)間延時(shí)模塊和數(shù)字濾波模塊等。


2.2三角載波發(fā)生器

本設(shè)計(jì)中通過(guò)加減計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生載波三角波，三角波的幅值取256。先從0開始計(jì)數(shù)到256，再?gòu)?56減數(shù)到0，得到半個(gè)周期的三角載波，然后重復(fù)前半周期的計(jì)數(shù)方式，對(duì)得到的計(jì)數(shù)值取負(fù)，這樣就可以得到一個(gè)周期的三角載波。

圖3是三角載波模塊的仿真圖。可通過(guò)設(shè)定triwave_fp的值來(lái)實(shí)現(xiàn)三角波的分頻，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，圖3(a)設(shè)triwave_fp為0，此時(shí)三角波周期為102.4 μs；圖3(b)設(shè)triwave_tp為1，其周期變?yōu)?04.8 μs。通過(guò)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)正半周期正弦波。再對(duì)正半周期取反，即可得到負(fù)半周期的值。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)完成后，對(duì)其輸出的結(jié)果進(jìn)行比較以產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，比較規(guī)則設(shè)置為當(dāng)載波的數(shù)值小于正弦波的函數(shù)值時(shí)，輸出‘1’，否則輸出‘0’。

2.5? 死區(qū)時(shí)間延時(shí)模塊

比較模塊后，得到兩路SPWM序列信號(hào)(xl，xh)，用于控制電路的上下橋臂的開關(guān)。理論上，這兩路信號(hào)是完全互補(bǔ)的。然而，由于功率器件開通和關(guān)斷時(shí)間不完全相等，器件的關(guān)斷時(shí)間實(shí)際上要長(zhǎng)于導(dǎo)通時(shí)間。因此，為避免上下橋臂上功率器件瞬態(tài)短路必須提供一段時(shí)間的延時(shí)，使功率開關(guān)管導(dǎo)通之前確保相應(yīng)的開關(guān)管已經(jīng)截止。

脈沖延時(shí)是通過(guò)上升沿實(shí)現(xiàn)的，延時(shí)時(shí)間的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)一個(gè)10位的加減計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)死區(qū)時(shí)間為max，延時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)規(guī)則如下：

(1)當(dāng)輸入為0時(shí)，若計(jì)數(shù)值等于0，則計(jì)數(shù)值保持不變；否則，作減1計(jì)數(shù)；

(2)當(dāng)輸入為1時(shí)，若計(jì)數(shù)值等于max，則計(jì)數(shù)值保持不變；否則，作加1計(jì)數(shù)；

(3)當(dāng)輸入為1且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為max時(shí)，xl=0，xh=1，上橋臂導(dǎo)通；

(4)當(dāng)輸入為0且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為0時(shí)，xl=1，xh=0，下橋臂導(dǎo)通；

(5)當(dāng)死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值在0～max之間時(shí)，xl=0，xh=0，上下橋臂均截止，形成死區(qū)。

2.6? 系統(tǒng)仿真

最后可以根據(jù)需要，設(shè)置時(shí)鐘、分頻、死區(qū)時(shí)間等的值。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，設(shè)定三角波頻率為正弦波頻率的5倍，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

觀察圖5的輸出信號(hào)xh，xl，可以看出其脈寬是按正弦規(guī)律變化的，因此設(shè)計(jì)滿足要求。

2.7濾波模塊

由于數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不可避免地存在許多干擾，有效信息被它們所掩蓋，因此必須對(duì)資料進(jìn)行提高信噪比的數(shù)字濾波處理。為了提高研發(fā)速度，濾波模塊直接采用Altera公司的IP核來(lái)生成。

設(shè)置參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)帶通頻率為7.5～12.5 kHz的數(shù)字濾波器，采用Hanning窗設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用Matlab軟件的數(shù)字濾波設(shè)計(jì)分析工具，可以得到頻率衰減圖如圖6所示?？梢钥闯銎鋷ㄐЧ黠@，符合系統(tǒng)要求。


3系統(tǒng)的應(yīng)用

把設(shè)計(jì)的SPWM系統(tǒng)應(yīng)用于某公司設(shè)計(jì)的電磁法儀上，其主要原理就是利用專用設(shè)備向介質(zhì)體發(fā)射一個(gè)電磁場(chǎng)，這種迅速衰減的磁場(chǎng)在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的二次場(chǎng)。利用其原理，該儀器設(shè)計(jì)了一道發(fā)射道和三道接收道。圖7(a)是原儀器采用發(fā)射頻率為9.8 kHz的PWM波發(fā)射得到的結(jié)果，前四道是濾波前的波形圖，后四道是濾波后的波形圖?？刂票鞠到y(tǒng)發(fā)射頻率為9.8 kHz進(jìn)行調(diào)試，把發(fā)射道和接收道的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口通訊上傳到上位機(jī)上顯示，波形如圖7(b)所示。發(fā)射道經(jīng)濾波后產(chǎn)生較理想的正弦波，產(chǎn)生的三道二次場(chǎng)，比較圖7(a)可以看出其諧波畸變有明顯的減弱。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文是設(shè)計(jì)了基于FPGA的SPWM可變頻系統(tǒng)，最后把系統(tǒng)成功應(yīng)用到電法儀的發(fā)射模塊中。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，比原有的PWM控制有較大的改善。另外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要在線修改發(fā)射頻率、死區(qū)時(shí)間等的值，系統(tǒng)更人性化。系統(tǒng)稍加修改，還可應(yīng)用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)或變頻電源中。