采用FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

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

而電磁法作為一種地球物理探測(cè)的有效方法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦藏勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。電磁法儀一般包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分。現(xiàn)階段，電磁法儀器的發(fā)射機(jī)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(jù)SPWM自然采樣法原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電磁法儀的發(fā)射機(jī)的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)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(hào)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(hào)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，這種方法稱為自然采樣法。其可以分為單極性三角波調(diào)制法和雙極性三角波調(diào)制法，其原理圖如圖1所示。本文采用的是雙極性調(diào)制法。


2 SPWM系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)先生成三角波信號(hào)和正弦波信號(hào)，通過(guò)兩者輸出的比較產(chǎn)生脈沖序列，并對(duì)輸出的脈沖進(jìn)行死區(qū)延時(shí)、數(shù)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(shù)表尋址、正弦函數(shù)表、死區(qū)時(shí)間延時(shí)模塊和數(shù)字濾波模塊等。


2.2三角載波發(fā)生器

本設(shè)計(jì)中通過(guò)加減計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)到256，再?gòu)?56減數(shù)到0，得到半個(gè)周期的三角載波，然后重復(fù)前半周期的計(jì)數(shù)方式，對(duì)得到的計(jì)數(shù)值取負(fù)，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。可通過(guò)設(shè)定triwave_fp的值來(lái)實(shí)現(xiàn)三角波的分頻，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為10 MHz時(shí)，圖3(a)設(shè)triwave_fp為0，此時(shí)三角波周期為102.4 μs；圖3(b)設(shè)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(shè)計(jì)利用Matlab軟件工具，把正半周期的正弦波512等分后，把數(shù)據(jù)存人ROM中。調(diào)用ROM中的數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)正半周期正弦波。再對(duì)正半周期取反，即可得到負(fù)半周期的值。本設(shè)計(jì)為了使得到的脈沖寬度可調(diào)，加上了正弦幅度相乘調(diào)節(jié)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(diào)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(shè)計(jì)完成后，對(duì)其輸出的結(jié)果進(jìn)行比較以產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)。可以通過(guò)Verilog硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，比較規(guī)則設(shè)置為當(dāng)載波的數(shù)值小于正弦波的函數(shù)值時(shí)，輸出‘1’，否則輸出‘0’。