0 引言

PWM（Pulse Width Modulation）是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出波形的脈沖寬度來(lái)改變輸出電壓大小的一種調(diào)制方法，在交流傳動(dòng)、電力拖動(dòng)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(duì)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(jí)功率開(kāi)關(guān)器件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的效率。常見(jiàn)的SPWM波形產(chǎn)生方法主要有兩種：一種是利用專門(mén)的SPWM產(chǎn)生芯片如TMS320 F2812來(lái)產(chǎn)生，這種方法的特點(diǎn)是一次可以產(chǎn)生6路或12路SPWM信號(hào)；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(duì)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(jiǎn)單，但具體實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。

1971年3月，美國(guó)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(shí)間為地址，幅度為量化數(shù)據(jù)，依次存入波形存儲(chǔ)器，使連續(xù)的數(shù)據(jù)流通過(guò)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(guò)死區(qū)產(chǎn)生、脈沖消去處理后就得到了可以驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率放大管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 SPWM波形的FPGA實(shí)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(hào)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(lái)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(chǔ)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(lái)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(dòng)信號(hào)，將正弦波離散值或三角波離散值加上一個(gè)特定的值或減去一個(gè)特定值再和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生上橋臂對(duì)應(yīng)的下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)已經(jīng)是帶死區(qū)的SPWM信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖消去模塊，消去功率器件來(lái)不及反應(yīng)的窄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后就可以得到直接驅(qū)動(dòng)逆變器的一對(duì)SPWM信號(hào)。

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(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)改變頻率控制字來(lái)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(shí)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(jì)不需要模擬信號(hào)，直接使用其中的數(shù)字信號(hào)，故不需要DAC和LPF模塊，全部在FPGA內(nèi)部數(shù)字化實(shí)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(shí)現(xiàn)方法與脈沖消去方法大致相同，一般都是設(shè)計(jì)一個(gè)加減計(jì)數(shù)器，根據(jù)死區(qū)時(shí)間來(lái)確定加減計(jì)數(shù)器的最大值d，由計(jì)數(shù)器的最大值d來(lái)確定死區(qū)時(shí)間。這種實(shí)現(xiàn)方法是一般的實(shí)現(xiàn)方法，本設(shè)計(jì)提出了一種新型的死區(qū)產(chǎn)生方法，如圖4所示，實(shí)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(shí)輸出為高電平，小于時(shí)輸出為低電平，根據(jù)正弦波和三角波的交點(diǎn)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(shí)把正弦波向上平移b個(gè)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(diǎn)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(jì)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(lái)的方法產(chǎn)生第一路信號(hào)，把從ROM中取出的正弦信號(hào)加上b，再和原來(lái)的方波信號(hào)進(jìn)行比較，這樣就可以得到第二路SPWM信號(hào)，同樣道理，也可以把三角波向上平移b個(gè)單位來(lái)產(chǎn)生第二路SPWM信號(hào)，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(jì)第三個(gè)ROM，在程序外把經(jīng)過(guò)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(gè)表和三角波的離散值進(jìn)行比較，只是這樣設(shè)計(jì)會(huì)增加FPGA硬件資源的消耗和增大存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間。

正弦信號(hào)往上偏移值b的確定是根據(jù)死區(qū)時(shí)間的值來(lái)確定的，這個(gè)值越大，則死區(qū)時(shí)間也越長(zhǎng)，所以，可以調(diào)節(jié)b的值來(lái)增大或減小死區(qū)時(shí)間。一對(duì)經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)際上，過(guò)窄的脈沖是無(wú)用的，因?yàn)樵谶@樣短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，后級(jí)的功率放大管是不能完全導(dǎo)通或關(guān)斷，只會(huì)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(huì)出現(xiàn)比第一路SPWM波形小兩倍死區(qū)時(shí)間的脈沖，如果某個(gè)脈沖已經(jīng)在臨界的寬度了，經(jīng)過(guò)死區(qū)產(chǎn)生模塊就會(huì)變成一個(gè)對(duì)后級(jí)的功率管來(lái)說(shuō)過(guò)窄的脈沖，這也就是脈沖消去模塊在死區(qū)模塊后級(jí)的原因，它的作用是消去一些本來(lái)就有的和經(jīng)過(guò)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(duì)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(jì)數(shù)器的方法來(lái)產(chǎn)生SPWM波形，經(jīng)過(guò)脈沖消去模塊，都會(huì)存在輸出的兩路SPWM脈沖不對(duì)稱性問(wèn)題，如圖7所示，就是有可能其中一路的波形缺失或所對(duì)應(yīng)的另一路波形出現(xiàn)缺失，但這個(gè)問(wèn)題可以在脈沖消去后再加一個(gè)模塊進(jìn)行處理而避免；對(duì)于載波頻率變小時(shí)負(fù)載諧波變大的問(wèn)題可以參考器件參數(shù)采用一定頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)載波比和動(dòng)態(tài)死區(qū)時(shí)間來(lái)解決。

2 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的帶死區(qū)的SPWM波形產(chǎn)生技術(shù)，對(duì)于SPWM的死區(qū)產(chǎn)生，一般都是應(yīng)用加減計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文提出了一個(gè)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(shí)間的SPWM波形。生成的SPWM波形輸出給后級(jí)的功率放大電路，檢測(cè)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(jì)的要求。