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’。

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。