基于FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之前確保相應(yīng)的開(kāi)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?chē)慕橘|(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。控制本系統(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。