基于FPGA的SPWM设计方案

1 基于 计方案 第 1 章 绪论 绍 脉冲宽度调制 ） 。，它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如电动车电机调速就是使用这种方式 即 正弦脉冲宽度调制（ ， 就是在 冲宽度时间占空比按正弦规律排列， 用形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值 ,这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等 . 理实现方案 面积法 该方案实际上就是 原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中 ,通过查表的方式生成 号控制开关器件的通断 ,以达到预期的目的 制的基本原理为出发点 ,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在计算繁琐 ,数据占用内存大 ,不能实时控制的缺点 . 件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的 ,其原理就是把所希望的波形作为调制信号 ,把接受调制的信号作为载 波，通过对载波的调制得到所期望的 常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是 形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦2 调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成 。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制 。 件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成 形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法：即自然采样法和规则采 样法 . 然采样法 以正弦波为调制波 ,等腰三角波为载波进行比较 ,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断 ,这就是自然采样法 形最接近正弦波 ,但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现 当三角波 只在其顶点 (或底点 )位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期 (即采样周期 )内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期 (此时为采样周期的两倍 )内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进 ,其主要优点就是是计算简单 ,便于在线实时运算 ,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦 线性控制范围较小。以上两种方法均只适用于 同步调制方式中。 次谐波消去法 低次谐波消去法是以消去 原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为 u(t)=首先确定基波分量 令两个不同的 ，就可以建立三个方程，联立求解得 a1,样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计3 算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。 形波与三角波比较法 前面所介绍 的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如 ,其直流电压利用率仅为 因此 ,为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法 该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现 由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波。所以输出波形中含有 5次， 7次等低次谐波。 极性法 如图 曲线 是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比 幅值决定于 线 是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于 时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同 (即单极性 )。调制波和载波的交点，决定了 冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。 (2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载 交替的交变电流。 图 极性 双极性法 如图 制波 和载波：调制波仍为正弦波，其周期决定于 幅决定于 曲线 ，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与 时正弦波的振幅值相等。 调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压 (，所得 到的线电压脉冲系列却是单极性的。 (2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载 是按线电压规律变化的交变电流。 图 极性 件实现方案 一、采用单片机来产生 须采用单片单片机，控制灵活，但用性差。 二、基于 算速度快，但合成频率较低且不可调。 三、采用单片机和 现了对 系统实现比较复杂，成本较高。 四、基于 过控制相位累加器和输入频率来控制。 设计方案选择 通过以上分析， 有丰富的存储资源，完全可以存储足够的相位字来生5 成三角波和正弦波。 硬件级别的设计， 可以 快速实现查表等操作。 所以可以生成较高频率的波形。 综上 ， 本 设计采用 通过 双极性的三角波，正弦波比较法来设计 生器 。 章小结 产生 方法很多。应该根据需要 选择合适的方法， 否则 可能造成资源的浪费或无法实现指标。虽然随着现在集成电路的发展， 已经 有和多成熟的 比如 但 基于 以做到高速， 稳定 ， 还可以 同其他数字电路一起设计在一块 从而 减小电路的复杂性。因此基于 6 第 2 章 计 体框图 块设计 调分频器 频率控制可以通过控制相位增量来控制。但由于本设计采样值较少。 容易 造成波形的不连续。 所以 选择控制输入频率。详细程序见附录 1。 分频器有计数器，比较器， 和 触发器等组成，频率字被高电平使能锁存进寄存器后， 计数器 对时钟脉冲进行计数， 当 计数器等于频率字寄存器后， 对 输出取反， 从而 实现分频。 分 频后频率 可调分频器 主时钟 正弦波时钟 三角波时钟 时钟发生器 地址发生器 相位累加器 三角波 弦波 弦波地址 三角波地址 比较器 输出 7 分频器 调分频器原理图 分频器 图 频器 图 4,16,8 时的时序图。可以看到当频率字 的数据线上后， 然后 使能，输出 钟发生器 为了得到较准确的 选取 三角波的频率为为正弦波的 16倍， 且 两者应该同步， 所以 设计了时钟发生器。详细程序见附录。 时钟发生器由一个二进制计数器，比较器和触发器组成， 触发器 可以同步两时钟的相位。时钟发生器有时钟输入， 复位 ， 和 三角时钟输出， 正弦 时钟输出。图 者的上升沿是同步的。 8 图 钟发生器 理图 真如图 钟发生器 真 址发生器 地址发生器由于产生 可以 同步产生三角波 址发生器的地址宽度为 8 位，地址为线性递增。 当 达到最大值是从 0重新开始。地址发生器主要由加法器组成。详细程序见附录。 地址发生器有三角， 正弦 时钟输入， 和 三角，正弦地址输出， 复位 。 理图 如图 图 地址发生器 理图 9 地址发生器 址发生器 真 位调节器器 为了能够精确的控制输出 所以 通过相位累加器精确调节正弦波的相位，从而 控制 相位。相位累加器用来实现输入地址和相位控制字的相加， 从而 改变正弦输入的相位。详细程序见附录。 相位累加器有 8 位相位输入， 相位字 使能， 复位 。如果想正弦波后移， 根据三角公式， 当 相位字超过周期的一半即可实现相位的后移。 原理 图如图 相位累加器 理图 图 位累加器 真 从图中可以看出， 当 使能相位输入以后，输出地址（上方 ） 相对输入（下方）10 有明显的超前。 两种波形 际由 成， 据输入的地址输出相应的数据，即可完成查表操作。由于 所以 使用 由计算机生产， 程序 见附录 2. 由于现今的 带有足够的 所以 设计是用芯片本身的 分 表 表 比较器 比较器用来实现正弦数据和三角波数据的比较。 当 正弦波输入大于三角波输入， 输出 1， 其余 输出 0,。 从而 产生需要的 。比较器的比较操作有三角波时钟进行同步。详细程序见附录。 11 比较器有两个输入， 一个 输出， 和 时钟输入。 图 较器原理图 较器 真 图中， 当 ，输出 Q 即为 1,。 层设计 为了直观的进行各信号之间的连接，顶层实体采用原理图符号的形式进行设计。 先将 个模块转换成符号文件，然后再顶层进行设计。 顶层 设计如图 2 图 层设计 顶层的 层 真 图中 00000011， 00000000。 章小结 分的设计选择的工具是 I 件可以根据计的不同流程选择不同的工具和选择不同的设计文件。 极大 的方便了开发。 真部分采用的是 该 软件时现如13 今比较成熟， 仿真 效果较好的第三方 真器。同时，由于现在开发需要的数据越来越来， 如何 熟练的使用 于本章主要是在 可能 会与实际硬件有出入。 所以 下一章将进行硬件仿真。 14 第 3 章 件调试 件搭建 硬件由两部分组成。 波形 生成器和控制时序生成器。控制时序由 片机生成。 I 系列的 整个设计的实物连接如图 图 形调试 为了减小调试的复杂程度。 对于 正弦波和三角波两内部信号使用的是 I 可以 设置好时钟和触发信号后将内部信号通过 经过调试。 示波器 显示如图 波器显示 15 可以看出信号具有比较明显的 I 部分析结果如下。图 正弦波信 号。 由于 器件内部 导致 采样深度不够， 无法 显示出完整周期的信号。 图 内部三角波信号。信号良好。 两者 上部分均为内部的 图 部正弦信号 图 部三角波信号 章小结 经过计算， 理论 的频率为 实测 为 虑硬件延迟和外部干扰。信号基本正确。 由于 没有进行信号调理， 导致 波形有明显的尖脉冲。同时由于器件限制， 也 未能获得完整的正弦信号。考虑这些因素， 调试 比较陈功。 16 第 4 章 总结 此设计从原理到实现， 都 以尽可能简单的方式来实现 内部 地址线采用的是 8 位， 而不是 通过较高的 32 位最后进行总线转换而成。 在 分频环节， 采用了 前级分频的方法， 而不是 通过调节相位累加器， 这样 能尽可能保证比较数据的数量。 获得 较精确的波形。最后， 通过 比较简单的硬件， 实现了 此次设计最后比较成功。能够获得较好 号。 但 从中还是能看到此方法的不足之处。比如频率较低， 频率 计算麻烦。 信号 失真较大。 从 原理上，如果要获得平滑的正弦信号， 必然 需要增加 这样 一来，就会降低输出频率， 同时 由于调频采用的是分频器原理， 进一步 降低了系统的频率。 最后 导致 50M 的时钟却只输出了 20 几 k 的频率。同时由于没有对输出信号进行调整， 导致 波形并不完美。 这 可以通过后记得调理电路加以改善。 最后， 进过 此次设计， 可以 看出还有很多可以改进的地方。比如原理实现，软件 设计。 硬件 选择。 所以 ， 实现 法很多， 在 合适的地方用合适的方案才是最佳的选择，高精度不一定就是最合适的。 17 参考文献 1 张文爱 电子工业出版社， 2012： 1 高迹象 电子工业出版社， 2010:56 毛惠丰 西安交通大学论文， 2006： 1 2010:100 I 13.0 2013:455 010:56 阎石， 数字 电子技术 基础， 高等 教育出本社， 2010:466 谭浩强， 清华 出版社， 2012:102 佚名 ，数字系统设计与 电子 工业出版社， 2010： 10 20 10 文良化， 计数器 的设计，宜宾学院课程， 2014: 18 致谢 在此次设计过程， 有很多 人给予了我力所能及的帮助。 首先， 是 文良 话， 在 此次设计中，帮助我解决了很多自己想不通的问题， 对