基于FPGA的自治型SPWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

    正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)在以電壓源逆變電路為核心的電力電子裝置中有著廣泛的應(yīng)用，如何產(chǎn)生SPWM脈沖序列及其實(shí)現(xiàn)手段是PWM技術(shù)的關(guān)鍵。利用模擬比較法，對(duì)三角載波與正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，即可產(chǎn)生SPWM脈沖；利用數(shù)字算法和定時(shí)邏輯，也可產(chǎn)生SPWM脈沖［5］。目前已有多種微處理器芯片（如80C196MC、TMS320F240等）本身集成有數(shù)字化PWM發(fā)生電路［3］。模擬方法簡(jiǎn)單直觀，但與數(shù)字控制器接口不便，難以滿(mǎn)足復(fù)雜要求；數(shù)字方法結(jié)構(gòu)靈活，尤其是微處理器內(nèi)置了PWM發(fā)生器的，使用更加方便。通常狀況下，微處理器通過(guò)定時(shí)中斷服務(wù)程序產(chǎn)生SPWM脈沖，在每個(gè)載波周期必須進(jìn)行中斷處理，對(duì)處理速度要求較高，從而也限制了載波頻率進(jìn)一步的提高，同時(shí)微處理器的處理任務(wù)也更加繁重。文獻(xiàn)［1］指出，微處理器中不確定的中斷響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致PWM脈沖的相位抖動(dòng)。

    FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)［1］～［5］也論述了FPGA或CPLD在PWM脈沖產(chǎn)生時(shí)刻的計(jì)算仍由微處理器來(lái)完成，實(shí)際上微處理器的任務(wù)仍然繁重。作者針對(duì)靜止補(bǔ)償器（STATCOM）對(duì)SPWM脈沖發(fā)生器的特定要求，采用Altera公司的FLEX10K10芯片開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器，微處理器只需在必要時(shí)改變逆變器PWM調(diào)制深度 即可，其余工作全由FPGA完成，從而大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。

SPWM發(fā)生原理

    針對(duì)靜止補(bǔ)償器的電路結(jié)構(gòu),要求SPWM發(fā)生器可以發(fā)出三相六路PWM脈沖信號(hào)，脈沖寬度應(yīng)根據(jù)微處理器輸出的調(diào)制深度來(lái)調(diào)節(jié)。SPWM脈沖產(chǎn)生方法采用三角載波與正弦調(diào)制波比較的傳統(tǒng)方法，但是三角載波、正弦調(diào)制波和比較邏輯等均采用基于FPGA的數(shù)字化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該SPWM發(fā)生器的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)?？偩€接口邏輯單元首先接收來(lái)自微處理器的調(diào)制深度信號(hào)并鎖存，正弦調(diào)制波產(chǎn)生電路在同步信號(hào)作用下從正弦函數(shù)表讀取標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)幅值，與調(diào)制深度 相乘，得出正弦調(diào)制信號(hào)幅值。三角載波發(fā)生電路在同步信號(hào)作用下，通過(guò)可逆計(jì)數(shù)器，發(fā)出三角載波幅值。正弦調(diào)制波幅值與三角載波幅值進(jìn)行比較，就可以產(chǎn)生出SPWM脈沖信號(hào)。

邏輯設(shè)計(jì)

    SPWM脈沖發(fā)生器由微處理器總線接口電路、三角載波產(chǎn)生電路、正弦調(diào)制波產(chǎn)生電路、正弦函數(shù)表和比較控制電路等邏輯功能模塊組成。

總線接口單元

    總線接口電路如圖2所示的微處理器接口電路部分。其中D0～D7為數(shù)據(jù)總線，芯片選擇信號(hào)為CS，寫(xiě)信號(hào)為WR，總線地址選擇信號(hào)為A0～A2。微處理器接口電路主要用于FPGA芯片接收來(lái)自微處理器的調(diào)制深度信號(hào) 。

三角載波發(fā)生器

    利用可逆計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器先執(zhí)行加法，從0計(jì)數(shù)到255，再執(zhí)行減法計(jì)數(shù)從255到0，從而實(shí)現(xiàn)三角載波。三角載波的峰峰值為255。

正弦調(diào)制波發(fā)生器

    FPGA芯片只能綜合一些簡(jiǎn)單的加、減、乘、除等算術(shù)邏輯，要其實(shí)現(xiàn)正弦函數(shù)的計(jì)算非常不經(jīng)濟(jì)，正弦調(diào)制波的產(chǎn)生通過(guò)查正弦函數(shù)表來(lái)完成。在FPGA芯片內(nèi)部開(kāi)辟一塊ROM區(qū)域，將離散時(shí)間正弦波幅值存入其中。在需要時(shí)，按照相位與地址一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系從表中依次讀出即可。

    由于FPGA芯片的硬件資源有限，如何有效的利用資源成為非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。考慮到正弦的周期性與對(duì)稱(chēng)性，因此在ROM表中只需存正弦函數(shù)frac{ }{2}周期的波形數(shù)據(jù)即可。在本設(shè)計(jì)中，一個(gè)正弦波周期內(nèi)共采樣2048個(gè)點(diǎn)，相位分辯率為0.176 ，而實(shí)際在ROM表中只需存512個(gè)采樣點(diǎn)，這樣大大減少了芯片硬件資源的消耗。

正弦調(diào)制波幅值的調(diào)節(jié)

    PWM脈沖發(fā)生器必須根據(jù)正弦調(diào)制波幅值的大小來(lái)調(diào)整PWM脈沖的寬度。在本設(shè)計(jì)中，由于三角載波峰值固定，正弦調(diào)制波幅值僅由調(diào)制深度決定。FPGA芯片通過(guò)總線接口從微處理器接收到調(diào)制深度 信號(hào)，再利用乘法器對(duì)從正弦函數(shù)表中取出的正弦幅值進(jìn)行調(diào)制深度加權(quán)調(diào)整。設(shè)調(diào)制深度為，當(dāng)前時(shí)刻正弦幅值為Sin_Data， 利用下式得出正弦調(diào)制波幅值Data為：
 
    Data＝（ ＊Sin_Data）/255 取值范圍［0～1］

    本設(shè)計(jì)采用雙極性調(diào)制方式，而三角載波的取值范圍為0～255，其中位線值為127，故實(shí)際產(chǎn)生的正弦調(diào)制波幅值按照下列公式進(jìn)行調(diào)整，其中Adjust為調(diào)整后的正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)。

    Adjust =127＋Data { 2 k < Data<(2k+1) } k=0.1.2......N
    Adjust =127－Data {(2k+1) <Data<(2k+2) } k=0.1.2......N

三相正弦信號(hào)的產(chǎn)生

    針對(duì)靜止補(bǔ)償器主電路，需要產(chǎn)生出三個(gè)相位彼此互差120 的SPWM脈沖信號(hào)。而通過(guò)一個(gè)正弦函數(shù)表來(lái)發(fā)出三相正弦信號(hào)，不僅需要考慮三個(gè)正弦信號(hào)的起始相位，而且需要三個(gè)可逆計(jì)數(shù)器分別來(lái)控制查找正弦函數(shù)表。例如，在本設(shè)計(jì)中產(chǎn)生三個(gè)初相位為零，相位互差120 的三相正弦信號(hào)。如圖3所示，A相首先從正弦函數(shù)表的地址0 開(kāi)始累加讀起，當(dāng)讀到地址90 處，再?gòu)牡刂?0 處累減讀到地址0 處，這樣在A相可逆計(jì)數(shù)器的控制下，就可以得到周期為的單向半波正弦信號(hào)；C相首先從正弦函數(shù)表的地址60 開(kāi)始遞減讀起，當(dāng)讀到地址0 處，再?gòu)牡刂? 處遞增讀到地址90 處，然后從地址90 處遞減讀到地址0 處，這樣在C相可逆計(jì)數(shù)器的控制下，就可以得到周期為、初相位滯后A相60 的單向半波正弦信號(hào)；同理，B相從正弦函數(shù)表的地址60 開(kāi)始累加讀起，在B相可逆計(jì)數(shù)器的控制下，就可以得到周期為 、初相位滯后C相60 的單向半波正弦信號(hào)。這樣，通過(guò)一個(gè)frac{ }{2}周期的正弦函數(shù)表，就可以發(fā)出三個(gè)相位互差60 、周期為 的單向半波正弦信號(hào)。然后，查出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)正弦調(diào)制波幅值調(diào)節(jié),使輸出的三個(gè)單向半波正弦幅值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的幅值調(diào)節(jié)要求后，再與三角載波進(jìn)行比較，就可以得出三個(gè)相位互差120 的SPWM脈沖信號(hào)。
 
    由于三相正弦信號(hào)的產(chǎn)生在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵，下面給出VHDL設(shè)計(jì)的主要程序。

    process(clk)
    variable m :integer range 511 downto 0
    begin
    if clk'event and clk='1'then ；產(chǎn)生A相地址
    if SAdir='1' then ；SAdir為A相可逆計(jì)數(shù)器的標(biāo)志位,當(dāng)為"1"計(jì)數(shù)器遞增
    m:=1+m
    else m:=m-1; 當(dāng)SAdir＝"0"，計(jì)數(shù)器遞減
    end if
    A_Address<=m; A_Address為A相對(duì)應(yīng)查找內(nèi)部ROM表的地址值
    end if
    end process
    process(clk)
    variable m, n :integer range 511 downto 0
    begin
    if clk'event and clk='1'then； 產(chǎn)生C相地址
    if SCdir='0' then
    m:=m+1;
    else n:=n-1;m:=341+n; C相首先從60 處開(kāi)始遞減產(chǎn)生查表地址
    end if;
    C_ Address<=m;
    end process;
    process(clk)
    variable m, n :integer range 511 downto 0 ;
    begin
    if clk'event and clk='1'then ；產(chǎn)生B相地址
    if SBCdir='1' then
    n:=n+1;m:=341+n;保證B相首先從60 處開(kāi)始遞增產(chǎn)生查表地址
    else m:=m-1;
    end if;
    B_ Address <=m;
    end if;
    end process;
    process(Div_clk,AA,BB,CC,input)
    begin
    if Div_clk'event and Div_clk='1' then ;Div_clk為clk的分頻時(shí)鐘
    if AA='1' then ；AA為A相查表控制位,當(dāng)為"1" 時(shí),從ROM中取正弦值,
    q<= A_ Address ; q為ROM表對(duì)應(yīng)正弦值的地址入口
    A_Data <= *ROM_Data; 為輸入的調(diào)制深度，ROM_Data為ROM正弦表的正弦值
    PA<=A_Data(14 downto 8); 除法運(yùn)算，舍取最低8位實(shí)現(xiàn)
    elsif BB='1' then；AA為A相查表控制位,當(dāng)為"1" 時(shí),從ROM中取正弦值,
    q<= B_ Address; PB<=B_Data(14 downto 8); B_Data <= *ROM_Data;
    elsif CC='1' then
    q<= C_ Address ; PC<=C_Data(14 downto 8); C_Data <= *ROM_Data;
    end if; end if;
    end process;
    process(clk,flagA)
    begin
    if clk'event and clk='1' then
    if flagA='1' then ；flagA為 A相同步信號(hào)控制位，flagA='1' 表示當(dāng)前A相正弦－－波處于正半周期
    A_Adjust <=PA+"1111111" ; 正半周期正弦調(diào)制波幅值調(diào)整
    elsif flagA='0' then ；flagA='1' 表示當(dāng)前A相正弦波處于處于負(fù)半周期
    A_Adjust <="1111111"- PA; 負(fù)半周期調(diào)幅
    end if;
    end if;
    End process;

系統(tǒng)邏輯與時(shí)序功能仿真

    利用MAX+PlusII的波形仿真功能可以得到芯片輸入輸出仿真圖。Atlera公司的這種軟件非常方便的提供了驗(yàn)證方式。不但提供邏輯輸出的驗(yàn)證,而且提供了時(shí)序的驗(yàn)證,包括芯片內(nèi)部的各點(diǎn)之間的延時(shí),以及競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

    輸入調(diào)制頻率為50Hz、調(diào)制深度為0.75時(shí)的三相六路SPWM波形，三相彼此相位互差120 。其中AH與AL為A相沒(méi)有加死區(qū)的上橋信號(hào)與下橋信號(hào)，后面以此類(lèi)推。flagA、flagB和flagC為三相正弦同步信號(hào)，以保證三相六路數(shù)據(jù)嚴(yán)格按相互滯后120 的相位輸出。

    輸入調(diào)制頻率為50Hz、調(diào)制深度為0.25時(shí)的三相六路SPWM波形。可以看到，輸出的六路PWM信號(hào)脈沖寬度有了明顯的改變。

結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種利用FPGA產(chǎn)生PWM波的方案,并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法以及相應(yīng)的PWM波發(fā)生框圖。該電路通過(guò)系統(tǒng)可編程芯片實(shí)現(xiàn),用硬件描述語(yǔ)言以及圖形輸入完成了整個(gè)功能模塊的全部設(shè)計(jì)工作，使得觸發(fā)電路更加可靠和穩(wěn)定，為高載波SPWM波形生成提供了一條快速實(shí)現(xiàn)的途徑。如果改變輸入時(shí)鐘的頻率以及相應(yīng)的載波頻率,以此電路為核心,配合相應(yīng)的外部保護(hù)電路與其它邏輯控制電路，完全可以應(yīng)用于逆變系統(tǒng)中。

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