三相SPWM波形發生器的設計與仿真

　　本文設置正弦波a、b、c的輸出頻率fout為工頻信號頻率50Hz，令時鐘信號fclk為10kHz，頻率控制字M由以下公式計算。

(1)

　　公式轉換得：

(2)

　　此將數據代入公式(2)，可計算出頻率控制字M等于327.68，取整數等于328。

　　三路正弦波的初始相位設置由相位控制字設置模塊完成，該模塊主要完成將地址累加器的輸出地址分別加上三個相位控制字再輸出到正弦ROM。設相位控制字為P，對應初相為O，則計算公式如下：

          (3)

　　因此，根據已知三相正弦波初相O分別為0o、120o、240o，代入公式(3)，可求得對應的相位控制字取整數后分別為0、85、171。

3 三角波發生器模塊

　　三角波發生器模塊的設計通常有兩種方法完成：(1)采用計數器方法，利用VHDL語言設計一個向上向下計數器，從0開始計數，當計數到256后再向下計數，當計數為0時，再重復以上過程。將計數器的數據輸出就得到三角波數據輸出，這種方法得到的三角波頻率由計數器時鐘決定。(2)采用DDS原理方法，具體的實現與正弦波發生器實現的原理一樣，區別在于將正弦波原理框圖中ROM的正弦波數據換成三角波數據。三角波頻率的選擇可以根據實際電路設計需要來確定，本設計中設置了三角波輸出頻率為3KHz，三角波頻率越大，對正弦波的采樣率越高，使輸出的SPWM波形經過LC濾波還原為正弦波時諧波越小。

4 數據比較器模塊

　　數據比較器模塊主要完成將正弦波數據與三角波數據進行比較，輸出SPWM波形。數據比較器的位寬為8位。

5 死區時間控制模塊

　　為了防止后級H橋上下開關功率管同時閉合而造成功率管或者其它器件損壞^[4] ，需要在SPWM與反向NSPWM的輸出端加一個死區時間控制器，提高了后級電路的可靠性。

　　死區時間控制器的設計思想是當SPWM信號由高電平跳變為低電平時，NSPWM不是立刻由低變高，而是延時一段時間后再變為高電平。同理，SPWM信號由低變高時SPWM信號的輸出也不能立刻輸出，而是先讓NSPWM由高變低，延時一小段時間后再讓SPWM變為高電平。這一小段延時時間稱為死區時間。死區時間的長短應根據開關管的開關速度來選擇。本設計中設置死區時間為1uS。死區時間控制器模塊在Quartus II 9.1環境的仿真如圖4所示，其中a為輸入的方波信號，b、c為輸出反向帶死區時間的控制信號輸出。

6 測試

　　本設計使用了臺灣友晶公司生產的FPGA實驗板(型號為DE2-70)進行驗證。實驗表明該方法能夠很方便地產生三相SPWM波形，并且載波與調制波信號均可任意調節。圖5上部分為示波器測試其中1路的SPWM與NSPWM信號的示波器波形，下部分為示波器測量SPWM與NSPWM信號死區時間為1uS時的信號。

7 結束語

　　設計了一種基于數字系統的三相SPWM波形發生器的方法。結合DDS技術原理與VHDL語言可對SPWM的載波頻率、調制波頻率進行調節。并且設計了死區時間控制器，利用FPGA設計了死區時間可精確調節的SPWM信號發生器，解決了傳統器件在設計SPWM信號發生器時對死區時間控制不精確、不穩定等問題，本設計在Quartus II 9.1環境進行了仿真，并最終下載到DE2-70實驗平臺進行了實驗測試驗證了該方法的可行性，并且該信號發生器輸出SPWM波形穩定，可根據后級選用的開關管參數來精確調節輸出信號的死區時間，可降低開關管的損耗。

參考文獻:

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