FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 FPGA的SPWM變頻系統(tǒng)設計 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(xiàn)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(fā)射機和接收機兩大部分?，F(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，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(fā)射機的SPWM系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用到現(xiàn)有的電磁法儀器中，與原來的PWM產生的效果開展比較，得到良好

2、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(tǒng)的硬件實現(xiàn) 2.1 系統(tǒng)整體設計 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生脈沖序列，并對輸出的脈沖開展死區(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、

3、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 本設計中通過加減計數(shù)器來產生載波三角波，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?？赏ㄟ^設定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triwave_fp為0，此時三角波周期為102.4 s；圖3(b)設triwave_tp為1，其周期變?yōu)?04.8 s。通過改變triwave_fp的取值，可以得到不同頻率的載波。 2.3 正

4、弦波發(fā)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(shù)據存人ROM中。調用ROM中的數(shù)據，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。本設計為了使得到的脈沖寬度可調，加上了正弦幅度相乘調節(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)生模塊設計完成后，對其輸出的結果開展比較以產生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

5、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，為防止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(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，x

6、l=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0max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 可以根據需要，設置時鐘、分頻、死區(qū)時間等的值。對設計開展仿真，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(guī)律變化的，因此設計滿足要求。 2.7濾波模塊 由于數(shù)據采集過程中不可防止地存在許多干擾，有效信息被它們所掩蓋，因此必須對資料開展提高信噪比的數(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

7、核來生成。 設置參數(shù)，設計一個帶通頻率為7.512.5 kHz的數(shù)字濾波器，采用Hanning窗設計構造，利用Matlab軟件的數(shù)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(tǒng)要求。 3系統(tǒng)的應用 把設計的SPWM系統(tǒng)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(fā)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(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)發(fā)射頻率為9.8 kHz開展調試，把發(fā)射道和接收道的數(shù)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(fā)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FPG