基于FPGA的SPWM變頻系統設計

2.5 死區時間延時模塊

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關。理論上，這兩路信號是完全互補的。然而，由于功率器件開通和關斷時間不完全相等，器件的關斷時間實際上要長于導通時間。因此，為避免上下橋臂上功率器件瞬態短路必須提供一段時間的延時，使功率開關管導通之前確保相應的開關管已經截止。

脈沖延時是通過上升沿實現的，延時時間的實現主要通過一個10位的加減計數器來實現。設死區時間為max，延時計數器計數規則如下：

(1)當輸入為0時，若計數值等于0，則計數值保持不變；否則，作減1計數；

(2)當輸入為1時，若計數值等于max，則計數值保持不變；否則，作加1計數；

(3)當輸入為1且死區計數器數值為max時，xl=0，xh=1，上橋臂導通；

(4)當輸入為0且死區計數器數值為0時，xl=1，xh=0，下橋臂導通；

(5)當死區計數器數值在0～max之間時，xl=0，xh=0，上下橋臂均截止，形成死區。

2.6 系統仿真

最后可以根據需要，設置時鐘、分頻、死區時間等的值。對設計進行仿真，設定三角波頻率為正弦波頻率的5倍，得到的仿真結果如圖5所示。

觀察圖5的輸出信號xh，xl，可以看出其脈寬是按正弦規律變化的，因此設計滿足要求。

2.7濾波模塊

由于數據采集過程中不可避免地存在許多干擾，有效信息被它們所掩蓋，因此必須對資料進行提高信噪比的數字濾波處理。為了提高研發速度，濾波模塊直接采用Altera公司的IP核來生成。

設置參數，設計一個帶通頻率為7.5～12.5 kHz的數字濾波器，采用Hanning窗設計結構，利用Matlab軟件的數字濾波設計分析工具，可以得到頻率衰減圖如圖6所示。可以看出其帶通效果明顯，符合系統要求。


3系統的應用

把設計的SPWM系統應用于某公司設計的電磁法儀上，其主要原理就是利用專用設備向介質體發射一個電磁場，這種迅速衰減的磁場在其周圍的介質中感應出新的二次場。利用其原理，該儀器設計了一道發射道和三道接收道。圖7(a)是原儀器采用發射頻率為9.8 kHz的PWM波發射得到的結果，前四道是濾波前的波形圖，后四道是濾波后的波形圖。控制本系統發射頻率為9.8 kHz進行調試，把發射道和接收道的數據經過串口通訊上傳到上位機上顯示，波形如圖7(b)所示。發射道經濾波后產生較理想的正弦波，產生的三道二次場，比較圖7(a)可以看出其諧波畸變有明顯的減弱。

4 結 語

本文是設計了基于FPGA的SPWM可變頻系統，最后把系統成功應用到電法儀的發射模塊中。經驗證，該系統穩定可靠，比原有的PWM控制有較大的改善。另外，系統可以根據需要在線修改發射頻率、死區時間等的值，系統更人性化。系統稍加修改，還可應用到電機驅動或變頻電源中。