基于FPGA的SPWM變頻系統設計與實(shí)現

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

而電磁法作為一種地球物理探測的有效方法，已經(jīng)廣泛地應用于礦藏勘探、地質(zhì)災害預測等領(lǐng)域。電磁法儀一般包括發(fā)射機和接收機兩大部分?，F階段，電磁法儀器的發(fā)射機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SPWM自然采樣法原理，設計了應用于電磁法儀的發(fā)射機的SPWM系統。該系統應用到現有的電磁法儀器中，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(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。產(chǎn)生SPWM信號有多種方法，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(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)模式，這種方法稱(chēng)為自然采樣法。其可以分為單極性三角波調制法和雙極性三角波調制法，其原理圖如圖1所示。本文采用的是雙極性調制法。2 SPWM系統的硬件實(shí)現

2.1 系統整體設計

系統原理如圖2所示。系統先生成三角波信號和正弦波信號，通過(guò)兩者輸出的比較產(chǎn)生脈沖序列，并對輸出的脈沖進(jìn)行死區延時(shí)、數字濾波等處理。主要模塊有：分頻器、三角載波發(fā)生器、正弦函數表尋址、正弦函數表、死區時(shí)間延時(shí)模塊和數字濾波模塊等。

2.2三角載波發(fā)生器

本設計中通過(guò)加減計數器來(lái)產(chǎn)生載波三角波，三角波的幅值取256。先從0開(kāi)始計數到256，再從256減數到0，得到半個(gè)周期的三角載波，然后重復前半周期的計數方式，對得到的計數值取負，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?？赏ㄟ^(guò)設定triwave_fp的值來(lái)實(shí)現三角波的分頻，當系統時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，圖3(a)設triwave_fp為0，此時(shí)三角波周期為102.4 μs；圖3(b)設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

本設計利用Matlab軟件工具，把正半周期的正弦波512等分后，把數據存人ROM中。調用ROM中的數據，即可實(shí)現正半周期正弦波。再對正半周期取反，即可得到負半周期的值。本設計為了使得到的脈沖寬度可調，加上了正弦幅度相乘調節模塊，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)生模塊設計完成后，對其輸出的結果進(jìn)行比較以產(chǎn)生SPWM脈沖信號?？梢酝ㄟ^(guò)Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現，比較規則設置為當載波的數值小于正弦波的函數值時(shí)，輸出‘1’，否則輸出‘0’。

2.5 死區時(shí)間延時(shí)模塊

比較模塊后，得到兩路SPWM序列信號(xl，xh)，用于控制電路的上下橋臂的開(kāi)關(guān)。理論上，這兩路信號是完全互補的。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(cháng)于導通時(shí)間