一種新型數字SPWM信號的設計與實(shí)現

摘要：為了有效地降低逆變器負載的諧波，并且防止同一橋臂的功率放大管出現直通現象，設計了一種基于FPGA的新型數字SPWM波形產(chǎn)生方案。結合直接數字頻率合成技術(shù)，在FPGA內部采用硬件描述語(yǔ)言生成數字的正弦波和三角波，然后采用了比較的方法直接產(chǎn)生所需要的SPWM波形。創(chuàng )新性為運用了數字正弦波或三角波的平移技術(shù)產(chǎn)生所要求的死區，最后提出了數字方法產(chǎn)生SPWM波形的幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的解決方法。
關(guān)鍵詞：FPGA；SPWM；直接數字頻率合成；死區產(chǎn)生

0 引言
PWM(Pulse Width Modulation)是通過(guò)調節輸出波形的脈沖寬度來(lái)改變輸出電壓大小的一種調制方法，在交流傳動(dòng)、電力拖動(dòng)系統和控制領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的用途，但采用PWM調制技術(shù)在負載上的電流波形是非正弦波，這就使負載上具有很多的高次諧波成份，對系統的指標和穩定性造成很大的危害。正弦型脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)是一種使輸出的PWM波形按正弦的規律進(jìn)行變化的技術(shù)，從而大大的提高了后級功率開(kāi)關(guān)器件的穩定性和系統的效率。常見(jiàn)的SPWM波形產(chǎn)生方法主要有兩種：一種是利用專(zhuān)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；另一種方法利用自然采樣法的原理，采用數字或模擬方法產(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波的路數比較靈活，電路原理簡(jiǎn)單，但具體實(shí)現比較復雜。
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(chēng)之為直接數字頻率合成器(DDS)。DDS技術(shù)是一種直接數字合成方法，不需要振蕩和鎖相環(huán)節，直接將波形函數進(jìn)行離散化，以時(shí)間為地址，幅度為量化數據，依次存入波形存儲器，使連續的數據流通過(guò)數／模轉換器產(chǎn)生需要的波形。本文利用FPGA內部的DDS模塊產(chǎn)生離散化的正弦波和三角波，進(jìn)而產(chǎn)生數字的SPWM波形，再經(jīng)過(guò)死區產(chǎn)生、脈沖消去處理后就得到了可以驅動(dòng)后級功率放大管的驅動(dòng)信號，利用該方法可以靈活的產(chǎn)生所需的任意調制比和載波比的SPWM波形，并且可以使負載上諧波含量大大減小，有效的保證了整個(gè)系統的穩定性。

1 SPWM波形的FPGA實(shí)現
根據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)生模塊根據主控制器傳來(lái)的頻率控制字從ROM表中讀出相應的正弦波的離散值，同樣，三角波產(chǎn)生模塊根據頻率控制字從存儲三角波的ROM表中讀出三角波的離散值，比較器和死區產(chǎn)生模塊根據傳來(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)生上橋臂驅動(dòng)信號，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)生上橋臂對應的下橋臂驅動(dòng)信號，這時(shí)產(chǎn)生的信號已經(jīng)是帶死區的SPWM信號，再經(jīng)過(guò)脈沖消去模塊，消去功率器件來(lái)不及反應的窄的驅動(dòng)信號，最后就可以得到直接驅動(dòng)逆變器的一對SPWM信號。
1．1 波形產(chǎn)生模塊
DDS技術(shù)是一種全數字的頻率合成技術(shù)，是將已知的信號經(jīng)過(guò)取樣、量化，形成可供查詢(xún)的數據表存于數據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。但因本設計不需要模擬信號，直接使用其中的數字信號，故不需要DAC和LPF模塊，全部在FPGA內部數字化實(shí)現。數字三角波的產(chǎn)生和數字正弦波的產(chǎn)生一樣，惟一不同就是在波形表中用量化后的三角波數據代替正弦波數據。

DDS的FPGA實(shí)現非常簡(jiǎn)單，波形存儲器直接調用芯片的ROM模塊，先把正弦信號量化，為了精確，這里采用一個(gè)周期量化2 048個(gè)點(diǎn)，用Madab編寫(xiě)正弦波和三角波的量化程序，按照FPGA的mif文件編寫(xiě)格式，處理后再復制到記事本中加上表頭和結尾，保存為mif格式后，在ROM模塊中初始化指向這個(gè)文件即可。從波形查找表中讀出的數字正弦值信號就可以作為比較器和死區產(chǎn)生模塊的輸入了。數字三角波模塊和正弦波模塊生成的方法相同，不再贅述。