基于FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計

??? 由于脈寬調(diào)制技術(shù)是通過調(diào)整輸出脈沖的頻率及占空比來實現(xiàn)輸出電壓的變壓變頻效果，所以在電機調(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)害預測等領(lǐng)域。電磁法儀一般包括發(fā)射機和接收機兩大部分。現(xiàn)階段，電磁法儀器的發(fā)射機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)計了應(yīng)用于電磁法儀的發(fā)射機的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，與原來的PWM產(chǎn)生的效果進行比較，得到良好的效果。

　　1 SPWM技術(shù)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(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。產(chǎn)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(guān)管的開關(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)的硬件實現(xiàn)

　　2.1? 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)先生成三角波信號和正弦波信號，通過兩者輸出的比較產(chǎn)生脈沖序列，并對輸出的脈沖進行死區(qū)延時、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)時間延時模塊和數(shù)字濾波模塊等。

2.2三角載波發(fā)生器

　　本設(shè)計中通過加減計數(shù)器來產(chǎn)生載波三角波，三角波的幅值取256。先從0開始計數(shù)到256，再從256減數(shù)到0，得到半個周期的三角載波，然后重復前半周期的計數(shù)方式，對得到的計數(shù)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(shè)定triwave_fp的值來實現(xiàn)三角波的分頻，當系統(tǒng)時鐘為10 MHz時，圖3(a)設(shè)triwave_fp為0，此時三角波周期為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)，即可實現(xiàn)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(shè)計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)計完成后，對其輸出的結(jié)果進行比較以產(chǎn)生SPWM脈沖信號。可以通過Verilog硬件描述語言實現(xiàn)，比較規(guī)則設(shè)置為當載波的數(shù)值小于正弦波的函數(shù)值時，輸出‘1’，否則輸出‘0’。

　　2.5? 死區(qū)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(guān)。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(guān)斷時間不完全相等，器件的關(guān)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(tài)短路必須提供一段時間的延時，使功率開關(guān)管導通之前確保相應(yīng)的開關(guān)管已經(jīng)截止。

　　脈沖延時是通過上升沿實現(xiàn)的，延時時間的實現(xiàn)主要通過一個10位的加減計數(shù)器來實現(xiàn)。設(shè)死區(qū)時間為max，延時計數(shù)器計數(shù)規(guī)則如下：

　　(1)當輸入為0時，若計數(shù)值等于0，則計數(shù)值保持不變；否則，作減1計數(shù)；

　　(2)當輸入為1時，若計數(shù)值等于max，則計數(shù)值保持不變；否則，作加1計數(shù)；

　　(3)當輸入為1且死區(qū)計數(shù)器數(shù)值為max時，xl=0，xh=1，上橋臂導通；

　　(4)當輸入為0且死區(qū)計數(shù)器數(shù)值為0時，xl=1，xh=0，下橋臂導通；

　　(5)當死區(qū)計數(shù)器數(shù)值在0～max之間時，xl=0，xh=0，上下橋臂均截止，形成死區(qū)。

　　2.6? 系統(tǒng)仿真

　　最后可以根據(jù)需要，設(shè)置時鐘、分頻、死區(qū)時間等的值。對設(shè)計進行仿真，設(shè)定三角波頻率為正弦波頻率的5倍，得到的仿真結(jié)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(guī)律變化的，因此設(shè)計滿足要求。

　　2.7濾波模塊

　　由于數(shù)據(jù)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(shù)字濾波處理。為了提高研發(fā)速度，濾波模塊直接采用Altera公司的IP核來生成。

　　設(shè)置參數(shù)，設(shè)計一個帶通頻率為7.5～12.5 kHz的數(shù)字濾波器，采用Hanning窗設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用Matlab軟件的數(shù)字濾波設(shè)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(tǒng)要求。

　　3系統(tǒng)的應(yīng)用

　　把設(shè)計的SPWM系統(tǒng)應(yīng)用于某公司設(shè)計的電磁法儀上，其主要原理就是利用專用設(shè)備向介質(zhì)體發(fā)射一個電磁場，這種迅速衰減的磁場在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的二次場。利用其原理，該儀器設(shè)計了一道發(fā)射道和三道接收道。圖7(a)是原儀器采用發(fā)射頻率為9.8 kHz的PWM波發(fā)射得到的結(jié)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(tǒng)發(fā)射頻率為9.8 kHz進行調(diào)試，把發(fā)射道和接收道的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口通訊上傳到上位機上顯示，波形如圖7(b)所示。發(fā)射道經(jīng)濾波后產(chǎn)生較理想的正弦波，產(chǎn)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(jié)? 語

　　本文是設(shè)計了基于FPGA的SPWM可變頻系統(tǒng)，最后把系統(tǒng)成功應(yīng)用到電法儀的發(fā)射模塊中。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，比原有的PWM控制有較大的改善。另外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要在線修改發(fā)射頻率、死區(qū)時間等的值，系統(tǒng)更人性化。系統(tǒng)稍加修改，還可應(yīng)用到電機驅(qū)動或變頻電源中。