采用FPGA的SPWM變頻系統設計

0 引 言

由于脈寬調制技術是通過調整輸出脈沖的頻率及占空比來實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，已經廣泛地應用于礦藏勘探、地質災害預測等領域。電磁法儀一般包括發射機和接收機兩大部分。現階段，電磁法儀器的發射機部分一般直接采用等寬PWM技術，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，根據SPWM自然采樣法原理，設計了應用于電磁法儀的發射機的SPWM系統。該系統應用到現有的電磁法儀器中，與原來的PWM產生的效果進行比較，得到良好的效果。

1 SPWM技術原理

SPWM信號的原理為：用一組等腰三角形波與一個正弦波比較，其交點作為開關管“開”或“關”的時刻。產生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時刻決定開關管的開關模式，這種方法稱為自然采樣法。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，通過兩者輸出的比較產生脈沖序列，并對輸出的脈沖進行死區延時、數字濾波等處理。主要模塊有：分頻器、三角載波發生器、正弦函數表尋址、正弦函數表、死區時間延時模塊和數字濾波模塊等。


2.2三角載波發生器

本設計中通過加減計數器來產生載波三角波，三角波的幅值取256。先從0開始計數到256，再從256減數到0，得到半個周期的三角載波，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周期的三角載波。

圖3是三角載波模塊的仿真圖。可通過設定triwave_fp的值來實現三角波的分頻，當系統時鐘為10 MHz時，圖3(a)設triwave_fp為0，此時三角波周期為102.4 μs；圖3(b)設triwave_tp為1，其周期變為204.8 μs。通過改變triwave_fp的取值，可以得到不同頻率的載波。



2.3 正弦波發生器

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生模塊設計完成后，對其輸出的結果進行比較以產生SPWM脈沖信號。可以通過Verilog硬件描述語言實現，比較規則設置為當載波的數值小于正弦波的函數值時，輸出‘1’，否則輸出‘0’。