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        三相SPWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真

        作者:黃世玲 梁承權(quán) 時(shí)間:2015-05-14 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
        編者按:本文提出了一種采用VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)新型三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)波形發(fā)生器的方法。該方法以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)為核心產(chǎn)生三相SPWM信號。并且利用VHDL設(shè)計(jì)了死區(qū)時(shí)間可調(diào)的死區(qū)時(shí)間控制器,解決了傳統(tǒng)的模塊電路等待方法很難產(chǎn)生帶精確死區(qū)時(shí)間控制的SPWM信號的問題。該方法在Quartus II 9.1環(huán)境平臺下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,并將設(shè)計(jì)程序下載到DE2-70實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,用示波器測試得到了死區(qū)時(shí)間可控制的SPWM波形。

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

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/273272.htm

        (1)

          公式轉(zhuǎn)換得:

        (2)

          此將數(shù)據(jù)代入公式(2),可計(jì)算出頻率控制字M等于327.68,取整數(shù)等于328。

          三路正弦波的初始相位設(shè)置由相位控制字設(shè)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(gè)相位控制字再輸出到正弦ROM。設(shè)相位控制字為P,對應(yīng)初相為O,則計(jì)算公式如下:

                  (3)

          因此,根據(jù)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(yīng)的相位控制字取整數(shù)后分別為0、85、171。

        3 三角波發(fā)生器模塊

          三角波發(fā)生器模塊的設(shè)計(jì)通常有兩種方法完成:(1)采用計(jì)數(shù)器方法,利用語言設(shè)計(jì)一個(gè)向上向下計(jì)數(shù)器,從0開始計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)到256后再向下計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)為0時(shí),再重復(fù)以上過程。將計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸出就得到三角波數(shù)據(jù)輸出,這種方法得到的三角波頻率由計(jì)數(shù)器時(shí)鐘決定。(2)采用原理方法,具體的實(shí)現(xiàn)與正弦波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的原理一樣,區(qū)別在于將正弦波原理框圖中ROM的正弦波數(shù)據(jù)換成三角波數(shù)據(jù)。三角波頻率的選擇可以根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)需要來確定,本設(shè)計(jì)中設(shè)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,使輸出的波形經(jīng)過LC濾波還原為正弦波時(shí)諧波越小。

        4 數(shù)據(jù)比較器模塊

          數(shù)據(jù)比較器模塊主要完成將正弦波數(shù)據(jù)與三角波數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,輸出波形。數(shù)據(jù)比較器的位寬為8位。

        5 控制模塊

          為了防止后級H橋上下開關(guān)功率管同時(shí)閉合而造成功率管或者其它器件損壞[4] ,需要在與反向NSPWM的輸出端加一個(gè)控制器,提高了后級電路的可靠性。

          控制器的設(shè)計(jì)思想是當(dāng)SPWM信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí),NSPWM不是立刻由低變高,而是延時(shí)一段時(shí)間后再變?yōu)楦唠娖健M恚琒PWM信號由低變高時(shí)SPWM信號的輸出也不能立刻輸出,而是先讓NSPWM由高變低,延時(shí)一小段時(shí)間后再讓SPWM變?yōu)楦唠娖健_@一小段延時(shí)時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長短應(yīng)根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)速度來選擇。本設(shè)計(jì)中設(shè)置死區(qū)時(shí)間為1uS。死區(qū)時(shí)間控制器模塊在Quartus II 9.1環(huán)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(qū)時(shí)間的控制信號輸出。

        6 測試

          本設(shè)計(jì)使用了臺灣友晶公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)板(型號為DE2-70)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠很方便地產(chǎn)生三相SPWM波形,并且載波與調(diào)制波信號均可任意調(diào)節(jié)。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(qū)時(shí)間為1uS時(shí)的信號。

        7 結(jié)束語

          設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字系統(tǒng)的三相SPWM波形發(fā)生器的方法。結(jié)合技術(shù)原理與語言可對SPWM的載波頻率、調(diào)制波頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且設(shè)計(jì)了死區(qū)時(shí)間控制器,利用設(shè)計(jì)了死區(qū)時(shí)間可精確調(diào)節(jié)的SPWM信號發(fā)生器,解決了傳統(tǒng)器件在設(shè)計(jì)SPWM信號發(fā)生器時(shí)對死區(qū)時(shí)間控制不精確、不穩(wěn)定等問題,本設(shè)計(jì)在Quartus II 9.1環(huán)境進(jìn)行了仿真,并最終下載到DE2-70實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了該方法的可行性,并且該信號發(fā)生器輸出SPWM波形穩(wěn)定,可根據(jù)后級選用的開關(guān)管參數(shù)來精確調(diào)節(jié)輸出信號的死區(qū)時(shí)間,可降低開關(guān)管的損耗。

        參考文獻(xiàn):

          [1] 王春俠,聶翔 . 基于面積等效法的SPWM 發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J] . 微計(jì)算機(jī)信息, 2008(24) : 216-217

          [2] 李曉寧 . 基于的SPWM波形控制器設(shè)計(jì)[J] . 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(27) : 60-61

          [3] 陳湘令,張瑩.基于DSP變頻器的SPWM控制算法[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23:134-136

          [4] [美]Ron Lenk著 王正仕等編譯 實(shí)用開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2006.4:15-20

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