基于FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于fpga的spwm變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 因?yàn)槊}寬調(diào)制技術(shù)是通過(guò)調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率及占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出的變壓變頻效果，所以在電機(jī)調(diào)速、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)的有效辦法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦藏勘探、地質(zhì)災(zāi)難預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。電磁法儀普通包括放射機(jī)和接收機(jī)兩大部分?，F(xiàn)階段，電磁法儀器的放射機(jī)部分普通挺直采納等寬技術(shù)，其諧波畸變率較大，電壓利用率不高，效率很低。本文利用技術(shù)，按照spwm自然采樣法原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于電磁法儀的放射機(jī)的spwm系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，與本來(lái)的pwm產(chǎn)生的效果舉行比較，得到良好的效果。1 spwm技術(shù)原理spwm信號(hào)的原理為：用

2、一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波比較，其交點(diǎn)作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。產(chǎn)生spwm信號(hào)有多種辦法，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)刻打算開關(guān)管的開關(guān)模式，這種辦法稱為自然采樣法。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1所示。本文采納的是雙極性調(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)輸出的脈沖舉行死區(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)光延時(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)

3、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開頭計(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 s;圖3(b)設(shè)triwave_tp為1，其周期變?yōu)?04.8 s。通過(guò)轉(zhuǎn)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

4、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)整模塊，其模塊原理圖4所示。同樣，可以控制模塊分頻單元，和調(diào)幅單元，轉(zhuǎn)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)果舉行比較以產(chǎn)生spwm脈沖信號(hào)?？梢酝ㄟ^(guò)硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，比較規(guī)章設(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。2.5 死區(qū)時(shí)光延時(shí)模塊比較模塊后，得到兩路spwm序列信號(hào)(xl，xh)，用于控制的上下橋臂的開關(guān)。理論上，這兩路信號(hào)是徹低互補(bǔ)的。然而，因?yàn)楣β势骷_通和關(guān)斷時(shí)光

5、不徹低相等，器件的關(guān)斷時(shí)光事實(shí)上要長(zhǎng)于導(dǎo)通時(shí)光。因此，為避開上下橋臂上功率器件瞬態(tài)短路必需提供一段時(shí)光的延時(shí)，使功率開關(guān)管導(dǎo)通之前確保相應(yīng)的開關(guān)管已經(jīng)截止。脈沖延時(shí)是通過(guò)升高沿實(shí)現(xiàn)的，延時(shí)時(shí)光的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)一個(gè)10位的加減計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)死區(qū)時(shí)光為max，延時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)規(guī)章如下：(1)當(dāng)輸入為0時(shí)，若計(jì)數(shù)值等于0，則計(jì)數(shù)值保持不變;否則，作減1計(jì)數(shù);(2)當(dāng)輸入為1時(shí)，若計(jì)數(shù)值等于max，則計(jì)數(shù)值保持不變;否則，作加1計(jì)數(shù);(3)當(dāng)輸入為1且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為max時(shí)，xl=0，xh=1，上橋臂導(dǎo)通;(4)當(dāng)輸入為0且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為0時(shí)，xl=1，xh=0，下橋臂導(dǎo)通;(5)當(dāng)死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值在

6、0max之間時(shí)，xl=0，xh=0，上下橋臂均截止，形成死區(qū)。2.6 系統(tǒng)仿真最后可以按照需要，設(shè)置時(shí)鐘、分頻、死區(qū)時(shí)光等的值。對(duì)設(shè)計(jì)舉行仿真，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5所示。觀看圖5的輸出信號(hào)xh，xl，可以看出其脈寬是按正弦邏輯變幻的，因此設(shè)計(jì)滿足要求。2.7濾波模塊因?yàn)閿?shù)據(jù)采集過(guò)程中不行避開地存在許多干擾，有效信息被它們所掩蓋，因此必需對(duì)資料舉行提高信噪比的數(shù)字濾波處理。為了提高研發(fā)速度，濾波模塊挺直采納公司的ip核來(lái)生成。設(shè)置參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)帶通頻率為7.512.5 khz的數(shù)字，采納hanning窗設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用matlab軟件的數(shù)字濾波設(shè)計(jì)分析工具，可以得到頻

7、率衰減圖6所示?？梢钥闯銎鋷ㄐЧ@然，符合系統(tǒng)要求。3系統(tǒng)的應(yīng)用把設(shè)計(jì)的spwm系統(tǒng)應(yīng)用于某公司設(shè)計(jì)的電磁法儀上，其主要原理就是利用專用設(shè)備向介質(zhì)體放射一個(gè)電磁場(chǎng)，這種快速衰減的磁場(chǎng)在其周圍的介質(zhì)中感應(yīng)出新的二次場(chǎng)。利用其原理，該儀器設(shè)計(jì)了一道放射道和三道接收道。圖7(a)是原儀器采納發(fā)率為9.8 khz的pwm波放射得到的結(jié)果，前四道是濾波前的波形圖，后四道是濾波后的波形圖?？刂票鞠到y(tǒng)放射頻率為9.8 khz舉行調(diào)試，把放射道和接收道的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口通訊上傳到上位機(jī)上顯示，波形7(b)所示。放射道經(jīng)濾波后產(chǎn)生較抱負(fù)的正弦波，產(chǎn)生的三道二次場(chǎng)，比較圖7(a)可以看出其諧波畸變有顯然的削弱。4 結(jié) 語(yǔ)本文是設(shè)計(jì)了基于fpga的spwm可變頻系統(tǒng)，最后把系統(tǒng)