【设计大全】基于FPGA的SPWM波形控制器设计(整理)
SPWM
PWM的全称是Pulse Width Modulation（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。
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，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，比如高级一些的UPS就是一个例子。 三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。
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(1)调制波和载波：曲线①是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线②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ku=1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SPWM脉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。
在通用变频器采用的交-直-交变频装置中，前级整流器是不可控的，给逆变器供电的是直流电源，其幅值恒 定。从这点出发，设想把上述一系列等宽不等幅的矩形波用一系列等幅不等宽的矩形脉冲波来替代，只要每个脉 冲波的面积都相等，也应该能实现与正弦波等效的功能，称作正弦脉宽调制(spwm)波形。例如，把正弦半波分作 n等分(n=9)，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的 幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合，这样就形成spwm波形。同样，正弦波的负半周也可 用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正、负半周分别用正、负脉冲等效的spwm波形称作单极式 spwm。
一种新型数字SPWM信号的设计与实现
一种新型数字SPWM信号的设计与实现作者：韩顺锋杜敏辛玉玲李嵬来源：《现代电子技术》2013年第03期摘要：为了有效地降低逆变器负载的谐波，并且防止同一桥臂的功率放大管出现直通现象，设计了一种基于FPGA的新型数字SPWM波形产生方案。
结合直接数字频率合成技术，在FPGA内部采用硬件描述语言生成数字的正弦波和三角波，然后采用了比较的方法直接产生所需要的SPWM波形。
创新性为运用了数字正弦波或三角波的平移技术产生所要求的死区，最后提出了数字方法产生SPWM波形的几个技术难点的解决方法。
关键词： FPGA； SPWM；直接数字频率合成；死区产生中图分类号： TN761.93⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）03⁃0133⁃030 引言PWM（Pulse Width Modulation）是通过调节输出波形的脉冲宽度来改变输出电压大小的一种调制方法，在交流传动、电力拖动系统和控制领域有着广泛的用途[1]，但采用PWM调制技术在负载上的电流波形是非正弦波，这就使负载上具有很多的高次谐波成份，对系统的指标和稳定性造成很大的危害。
正弦型脉宽调制[2]（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一种使输出的PWM波形按正弦的规律进行变化的技术，从而大大的提高了后级功率开关器件的稳定性和系统的效率。
常见的SPWM波形产生方法主要有两种：一种是利用专门的SPWM产生芯片如TMS320F2812来产生，这种方法的特点是一次可以产生6路或12路SPWM信号[3]；另一种方法利用自然采样法的原理，采用数字或模拟方法产生三角波和正弦波，再使用比较器对产生的三角波和正弦波进行比较而得到SPWM波，这种方法产生SPWM 波的路数比较灵活，电路原理简单，但具体实现比较复杂。
1971年3月，美国学者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold提出了从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，称之为直接数字频率合成器[4]（DDS）。
基于FPGA的SVPWM算法的实现
基于FPGA的SVPWM算法的实现基于FPGA的SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）算法的实现是一种用于驱动三相交流电机的技术。
在这种方法中，通过控制电机的电压向量的位置和尺寸来实现对电机的精确控制。
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以根据用户的需求重新编程以实现特定的功能。
在FPGA上实现SVPWM算法有以下几个关键步骤：1.电压向量生成：SVPWM算法通过构造一个六段可调节电压波形，使其在不同时间点上可以形成不同电压向量的组合。
每个电压向量由两个电压矢量之间的比例组成。
在FPGA上，可以使用可编程逻辑来实现这个功能。
2.电流测量：为了实现电机的闭环控制，需要测量电机的电流。
通过使用电流传感器或其他测量方法（如电压降法或电流传感器），可以获取电机的电流值。
在FPGA上实现电流测量可以使用模数转换器（ADC）模块，将模拟信号转换为数字信号。
3.PI控制器：SVPWM算法中使用PI控制器来控制电压向量的位置和尺寸，以达到所需的电机运行状态。
PI控制器根据电机的误差信号来调整电压向量的输出。
在FPGA上，可以使用可编程逻辑来实现PI控制器的功能。
4.PWM产生：在SVPWM算法中，需要通过调制信号产生脉冲宽度调制（PWM）信号，以控制电机的转矩和速度。
在FPGA上，可以使用特定的计数器来生成PWM信号。
这可以通过编程FPGA来实现。
5.输出驱动器：最后，FPGA需要输出PWM信号来驱动电机。
可以使用外部电路或FPGA的IO引脚来连接到电机的驱动器。
驱动器可以将逻辑电平的PWM信号转换为适合电机的电压和电流信号。
在FPGA上实现SVPWM算法可以提供高度可配置和灵活的控制方式，并且可以实现高效的电机控制。
通过使用FPGA，可以根据实际需求对电机的控制算法进行调整和优化，实现更好的性能和效率。
此外，FPGA还具有可编程性和可重复使用性的优势，可以适应不同的电机类型和控制需求。
spwm原理
spwm原理
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）是一种调制技术，用于将直流电压转换成交流电压。
它通过改变一个周期内脉冲的宽度，以在不同的时间点上施加不同的电压，并最终形成一个近似正弦波的输出。
SPWM的原理是通过将一个完整的周期分成很多短时间段，
并在每个时间段内施加一定的电压。
这些时间段可以被视为不同的采样点，通过改变每个时间段内脉冲的宽度来改变电压的幅值。
为了生成一个近似正弦波形的输出，这些脉冲的宽度需要按照正弦函数的规律变化。
SPWM的关键在于如何确定每个时间段内脉冲的宽度。
一种
常见的方法是使用三角波载波信号和参考信号进行比较，以得到需要施加的电压值。
三角波载波信号的频率通常比参考信号的频率高，因此每个周期内会产生多个脉冲。
通过比较三角波载波信号与参考信号的大小，确定脉冲的宽度。
如果参考信号的幅值大于三角波的幅值，则脉冲宽度增加，反之则减小。
通过不断调整每个时间段内脉冲的宽度，就可以在输出端生成一个接近正弦波形的电压信号。
这种调制技术被广泛应用于交流电压变换、电机控制等领域，能够提供高效、稳定的电压输出。
总结一下，SPWM利用调整脉冲的宽度来改变电压幅值，通
过比较三角波载波信号和参考信号来确定脉冲宽度的变化，从
而生成一个近似正弦波形的输出电压。
这种调制技术在电压变换和电机控制等领域有着广泛的应用。
基于单片机和FPGA的四通道PWM信号发生器接口设计
基于单片机和FPGA的四通道PWM信号发生器接口设计概述：PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种常用的电子信号生成技术，广泛应用于数字电路控制、电机驱动等领域。
本文将介绍基于单片机和FPGA的四通道PWM信号发生器接口设计。
1.系统架构：该系统由单片机和FPGA两部分组成，单片机负责控制FPGA的工作模式和参数设置，FPGA负责生成四个PWM信号。
2.单片机模块设计：单片机采用32位ARM Cortex-M系列处理器，具有丰富的接口资源和高性能计算能力。
在单片机上实现以下模块：-用户界面模块：使用LCD显示屏和按键进行参数设置和显示。
-通信模块：通过串口与PC进行通信，可以接收上位机发送的参数设置指令或者发送当前PWM信号的状态信息。
-控制模块：根据用户的操作指令，控制FPGA生成PWM信号的工作模式和参数设置。
3.FPGA模块设计：FPGA是可编程逻辑器件，可以按照需求配置逻辑电路，可以实现复杂的信号处理和控制功能。
在FPGA上实现以下模块：-PWM生成模块：根据单片机发送的参数，生成四个PWM信号。
可以设置频率、占空比等参数。
-PWM输出模块：将生成的PWM信号输出到外部设备，如电机驱动模块、LED灯等。
4.系统通信协议：为了实现单片机与FPGA之间的通信，需要定义一种通信协议。
可以使用UART串口通信，通信协议可以基于Modbus、RS485等标准协议进行设计。
5.系统工作流程：系统的工作流程如下：-单片机上电初始化，进行参数设置和显示；-单片机通过串口发送参数设置指令到FPGA；-FPGA根据设置生成PWM信号；-FPGA将生成的PWM信号输出到外部设备；-单片机可以通过串口接收FPGA发送的PWM信号状态信息。
6.系统性能考虑：为了实现稳定可靠的PWM信号发生，需要考虑以下因素：-单片机的时钟稳定性和计算能力；-FPGA的资源利用率和可靠性；-PWM频率和占空比的设置范围和精度；-输出PWM信号的性能要求。
SPWM原理以及具体实现方法
SPWM原理以及具体实现方法SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）是一种通过改变脉冲宽度来实现正弦波形输出的调制技术。
它是一种广泛应用于交流调速、无线电通信、音频音频处理等领域的调制技术。
本文将详细介绍SPWM的原理和具体实现方法。
一、原理SPWM的基本原理是将一个固定频率的三角波和一个可变频率的正弦波进行比较，通过改变正弦波的频率和三角波的升降沿来控制输出脉冲的宽度，从而实现输出波形的调制。
具体实现方式如下：1.生成三角波：首先需要生成一个固定频率的三角波，可以使用计数器、比较器和数字-模拟转换器等元件实现。
计数器用于产生固定频率的方波信号，比较器用于将方波信号转换为三角波信号，数字-模拟转换器用于将三角波信号转换为模拟电压信号。
2.生成正弦波：使用正弦函数生成一个可变频率的正弦波，频率根据应用需求决定。
一般使用时钟、计数器和查表法实现，通过改变时钟的计数值和查表法来调整正弦波的频率。
3.比较器：将三角波和正弦波进行比较，比较的方法可以使用电压比较器或者运算放大器进行。
根据比较结果，可以确定脉冲的宽度。
4.输出脉冲：通过改变脉冲的宽度来控制输出波形的幅值大小。
当三角波的斜率大于正弦波时，输出脉冲宽度增大；当三角波的斜率小于正弦波时，输出脉冲宽度减小。
5.滤波器：通过滤波器对输出脉冲进行处理，去除高频成分，得到带有基波的正弦波。
SPWM的具体实现方法依赖于所使用的平台和应用需求。
下面以数字信号处理平台为例，介绍SPWM的具体实现方法。
1.生成三角波：使用计数器和比较器，生成一个固定频率的三角波信号。
计数器的计数范围决定了三角波的周期，比较器将计数器的输出进行比较并产生三角波信号。
2.生成正弦波：可以通过使用FPGA或DSP等处理器实现正弦波的生成。
根据所需频率和精度，使用查表法或数学函数生成正弦波信号。
3.比较器：将三角波和正弦波进行比较，可以使用比较器模块实现比较操作。
基于FPGA多路实时PWM脉冲电路的设计
1前言选题目的及意义脉冲宽度调制（Pluse width modulation，简称PWM）操纵技术是一种重要的电力电子操纵技术，普遍应用于逆变电源、UPS、电力系统有源滤波和无功补偿设备等电力电子装置中。
目前实现PWM的方式要紧有基于分立元件的PWM实现方式、专用大规模集成芯片实现方式、微机型PWM实现方式等。
其中基于分立元件的PWM实现方式存在电路复杂、靠得住性差等缺点；专用大规模集成芯片实现方式存在操纵不灵活、本钱高等缺点；微机型PWM实现方式能有效的克服以上两种缺点。
随着各类电路拓扑的接踵提出，PWM本身也在不断地进展、演化。
在传统的二逻辑PWM的基础上，又慢慢进展出三逻辑PWM和多逻辑PWM。
例如，在电流源型AC/DC变换器中需要利用三逻辑PWM，在组合变流器和多电平变流器中需要利用多逻辑PWM。
其中，多逻辑PWM往往能够通过量路的二逻辑PWM来合成。
三相电压源型二电平H桥变流器需要6路PWM发生器。
而三相电压源型三电平变流器那么需要12路PWM发生器。
扩展到三相电压源N电平变流器，就需要6×(N-1)路PWM发生器。
而目前常见的专用集成芯片一样只能提供6路PWM 发生器,关于组合变流器和多电平逆变器而言，这些芯片不仅会造成电路设计复杂，靠得住性降低,最要紧的是很难完成同相功率器件的同步触发，而且需要复杂的操纵逻辑。
因此，研究多路实时PWM脉冲电路，有十分重要的意义。
FPGA是现今应用最普遍的可编程专用集成电路，能够利用它在实验室设计出专用集成电路。
与单片机相较，FPGA有运行速度快、内部程序并行运行,有处置更复杂功能的能力等优势。
基于FPGA的操纵电路集成度高、分立元件少、抗干扰性好，同时因线路设计简单，由软件编程实现硬件电路，可修改性强。
因此本文提出一种基于FPGA的多路实时脉冲电路的设计，简化了硬件操纵,提高了系统的整体性能和工作靠得住性。
PWM发生器的现状及进展PWM技术自显现以来，在近几十年间其基础理论取得了不断的进展，而在电力电子行业的应用更是达到了空前的程度。
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析1.引言直流电机广泛应用于各个领域，如工业控制、机器人等。
调速系统是直流电机应用中非常重要的一部分，直流电机的调速在一定范围内能够满足不同负载需求。
本文将介绍基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
2.系统设计2.1系统架构设计基于FPGA的直流电机PWM调速系统主要包括FPGA、PWM控制器、驱动电路和直流电机。
其中，FPGA负责进行调速算法的运算和时序控制，PWM控制器用于生成PWM信号，驱动电路控制直流电机的转速和方向。
2.2算法设计调速算法一般采用PID控制算法，通过测量直流电机的转速和负载情况，计算出PWM占空比，并调整PWM信号的频率和占空比以实现电机的调速。
在FPGA中，可以使用硬件描述语言（HDL）进行算法实现。
使用VHDL或Verilog等HDL语言，编写PID控制器、计数器和状态机等模块，实现调速算法的运算和时序控制。
3.系统实现3.1FPGA的选择FPGA是可编程逻辑芯片，具有灵活性和高性能的特点。
在选择FPGA 时，需要考虑系统的性能需求、资源使用和开发成本等因素。
常用的FPGA型号包括Xilinx系列和Altera（Intel）系列等。
3.2PWM控制器设计PWM控制器的设计主要包括频率和占空比的控制。
可以使用计数器和状态机实现PWM信号的生成。
计数器用于计数并产生PWM控制信号的频率，状态机用于控制计数器并调整PWM占空比。
3.3驱动电路设计驱动电路主要负责将FPGA生成的PWM信号转化为适合驱动直流电机的电压和电流信号。
驱动电路一般包括功率放大器、H桥驱动模块和电流反馈模块等。
通过控制H桥驱动模块的开关，可以实现直流电机的正反转和调速功能。
4.总结本文介绍了基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
通过使用FPGA进行调速算法的运算和时序控制，实现了对直流电机的精确调速。
系统设计包括FPGA选择、PWM控制器设计和驱动电路设计等。
spwm文档
SPWM什么是SPWMSPWM（Sine wave pulse width modulation）即正弦波脉宽调制，是一种用于产生接近正弦波形的信号的调制技术。
在电力电子和电力调制中，SPWM广泛应用于交流调制、逆变器和变频器等领域。
SPWM技术通过调节脉冲的宽度来控制相位和幅度，从而产生与正弦波形类似的输出波形。
这种调制技术不仅能够提供高质量的输出波形，还具有高效率和较低的谐波失真。
SPWM的原理SPWM通过比较一个参考信号（通常为正弦波形）和一个三角波信号，来控制开关器件的通断。
当参考信号大于三角波信号时，开关器件导通；反之，开关器件关闭。
通过不断改变参考信号的幅值和频率，可以控制输出波形的幅值和频率。
通过改变参考信号和三角波信号之间的相位差，可以控制输出波形的相位。
最终通过这种方法，可以产生接近正弦波的输出信号。
SPWM的优点1.高质量输出波形：SPWM技术可以产生非常接近于正弦波形的输出信号，因此在很多需要高质量输出的应用中非常受欢迎。
2.高效率：相比其他调制技术，SPWM技术的效率较高。
这是因为SPWM技术能够更好地利用开关器件的导通和关断过程，减少功率损耗。
3.低谐波失真：SPWM技术通过调节比较频率和振幅，来有效地控制波形的谐波分量，从而减少谐波失真。
4.灵活性：SPWM技术可以根据需要调整输出波形的频率和相位，以满足不同的应用需求。
SPWM的应用1.逆变器和变频器：SPWM技术广泛应用于逆变器和变频器中，用于将直流电转换为交流电，并改变交流电的频率和相位。
2.交流调制：SPWM技术在交流调制领域中也有重要应用。
通过使用SPWM技术，可以有效地调整交流电的幅值和相位。
3.音频放大器：SPWM技术在音频放大器中被用于产生高质量的音频信号。
4.动力电子设备：SPWM技术还被广泛应用于各种动力电子设备中，如电源调节器、电机驱动器等。
结论SPWM技术作为一种有效的调制技术，具有高质量的输出波形、高效率和低谐波失真的优点。
SPWM的基本原理及其应用实例
SPWM的基本原理及其应用实例1. 什么是SPWMSPWM（Sine Wave Pulse Width Modulation）即正弦波脉宽调制技术，是一种常用的电子控制技术。
在SPWM技术中，通过改变脉冲宽度来控制输出电压的大小，从而实现对电力系统的调节。
2. SPWM的基本原理SPWM技术基于一个简单的原理，即将一条直流电压通过开关器件开关，形成一串脉冲信号，通过调节脉冲的宽度和频率，可以模拟出一个接近正弦波的输出电压。
基本工作原理如下：•步骤1：通过开关器件将直流电源转换为交流电源。
•步骤2：通过比较器将一个参考正弦波信号与一个三角波信号进行比较。
•步骤3：根据比较结果，控制开关器件的导通和断开，改变脉冲的宽度和频率。
•步骤4：得到一个脉冲宽度与正弦波信号相关的输出波形，即SPWM输出。
3. SPWM的优点与应用SPWM技术具有以下优点：• 1. 输出波形接近正弦波： SPWM技术能够产生接近正弦波的输出波形，具有较低的谐波含量，适用于需要稳定高质量电源的场景。
• 2. 输出电压可调： SPWM技术可以通过改变比较器的阈值、参考信号的幅值和频率等参数，实现对输出电压的精确调节。
• 3. 调制频率高： SPWM技术的调制频率通常可以达到几百Hz甚至更高，适用于对输出电压要求高动态响应的系统。
SPWM技术在许多领域得到了广泛应用，以下是几个典型的应用实例：3.1 变频调速SPWM技术可用于电机驱动，通过调节输出电压的频率和电压大小，实现对电机的变频调速。
这在工业自动化领域中非常常见，可以节省能源和提高生产效率。
3.2 逆变器控制SPWM技术也广泛应用于逆变器中，用于将直流电源转换为交流电源。
逆变器通常用于太阳能发电、风能发电和电力调制等场景，SPWM技术可实现对逆变器输出电压波形的控制。
3.3 无线电通信在无线电通信领域，SPWM技术可以用于产生高频信号，实现调频调制（FM）。
通过改变脉冲的宽度和频率，可以实现对无线电信号的调制和解调。
基于FPGA的全数字化移相PWM控制器设计
收稿日期:2008-11-12基金项目:湖南教育厅科研基金资助项目(06C716).作者简介:陈文光(1968-),男,湖南茶陵人,南华大学电气工程学院副教授,硕士.主要研究方向:电力电子技术与系统.第23卷第1期南华大学学报(自然科学版)Vol .23No .12009年3月Journal of University of S outh China (Science and Technol ogy )Mar .2009文章编号:1673-0062(2009)01-0056-05基于FPG A 的全数字化移相P WM 控制器设计陈文光1,饶益花2,韦瑞锦1,单长虹1(1.南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;2.南华大学数理学院,湖南衡阳421001)摘 要:移相脉宽调制在大功率开关电源控制中有着广泛的应用.本文介绍了一种新型的基于FPG A 的全数字化移相脉宽调制控制器,并使用VHDL 语言和有限状态机法设计了控制器中DP WM 、ADC 等多个模块.最后通过一台500W /48V 样机对设计的控制器进行可行性实验验证,结果表明该数字控制器能实现预订的功能以及零电压软开关,效率达到91%.此方法设计的移相脉宽调制器的特点是能实现开关电源控制的全数字化.关键词:可编程逻辑器件;移相脉宽调制;全数字化P WM;开关电源中图分类号:T N4 文献标识码:ADesi gn of All D i git al Phase -Shi ft P WM Controller based on FPGACHEN W en 2guang 1,RA O Y i 2hua 2,W EI Rui 2ji n 1,SHAN Chang 2hong1(1.School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.School of Mathe matics and Physics Science,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China )Abstract:Phase -shift pulse width modulati on (P WM )has a wide app licati on in the contr ol field of high power s witching mode po wer supp ly (S MPS ).A novel all digital phase -shift P WM contr oller based on FPG A was p r oposed in the paper .Si m ultaneity,s ome modules of contr oller including DP WM and ADC were realized using VHDL and the meth 2od of the finite state machine .T o de monstrate the feasibility of this contr oller,a 500W /48V power supp ly p r ot otype has been asse mbled and tested .Experi m ental results are shown the digital contr oller can achieve the p redicted functi on,zer o -voltage s oft s witching and effi 2ciency is 91%.Characteristics of this method are able t o achieve s witching power supp ly contr olled by all digital .Key words:FPG A;Phase -Shift P WM;all digital P WM;s witching mode power supp ly 移相脉宽调制(PS -P WM )技术因其能实现软开关技术,具有较高的转换效率,故近年来被研究人员广泛应用于大功率电源控制中,其控制是使用类似于UC3875等模拟芯片.但设计实验时还需要使用外部电阻、电容来确定开关频率、输出信号之间的时序关系等,同时由于制造高频变压器等感性器件存在较大离散性,使得调试时繁琐.很多学者不断尝试使用数字控制技术来设计电力电子控制器[1-3],使得开关电源的自我诊断、自适应调节、调试和维护方便.现场可编程逻辑器件(FPG A )是目前数字系统设计的主要硬件基础,集成度很高,其功能由逻辑结构的配置数据决定,这些配置数据可以存放在片外的EPROM 或其他存储体上,人们可以控制加载过程,在现场修改器件的逻辑功能.大规模可编程逻辑器件的发展给传统的电力电子控制系统设计方法带来了革命性的变化.基于此,本文使用FPG A 技术来设计移相脉宽调制控制器,实现了全数字化脉宽调制技术(DP WM ).1 移相全桥零电压DC -DC 开关电源桥式逆变主电路如图1(a )所示.L r 为谐振电感,C s1～C s4为MOS 管的输出电容和外加谐振电容之和.S 1、S 2为超前桥臂,S 3、S 4为滞后桥臂,分析时假设图中各元件都处于理想器件,则得到图1(b )所示的门极驱动信号和主电路工作波形.详细分析见文献[4].其设计难点是实现软开关,各驱动信号之间的时序关系与变压器、MOS 管的输出电容等参数有关.图1 移相全桥零电压DC -DC 开关电源及工作波形F i g .1 Pha se -sh i ft ZVS full -br i dge DC -DC converter and wavefor m2 数字化移相P WM 控制器的实现本设计采用FPG A 实现移相全桥零电压直流开关电源的控制,其主要由时钟控制、P I D 、DP 2WM 、ADC 采样控制等四个主要模块组成.此外还有单片机通讯的接口模块等辅助模块,共同组成一个完整的数字化开关电源控制器.其结构框图如图2所示.图2 FPG A 实现的数字控制器原理F i g .2 The pr i n c i ple of d i g it a l con troller ba sed on FPGA 系统在时钟模块的驱动下,通过ADC 采样控制模块读取输出的电压值,与设定的输出值进行比较,将误差送入数字P I D 模块进行运算,得到相应的控制量,将控制量送入DP WM 模块,输出开关控制信号给驱动电路,调整输出值,直到输出电压达到系统设定值并趋于稳定.在系统工作时可75第23卷第1期 陈文光等:基于FPG A 的全数字化移相P WM 控制器设计通过MCU 接口模块与外部的处理器通讯,反馈系统工作状态,并接受新的控制参数.设计基于Xil 2inx 公司Spartan -II E 系列的FPG A 芯片XC2S100E 进行开发.下面将对各部分进行说明.2.1 DP WM 模块实现DP WM 的方法很多[5],但PS -P WM 控制比P WM 控制要复杂,四路驱动信号的时序有严格要求,不能像一般P WM 控制器那样用简单计数器与比较器来实现.因此决定使用状态机来完成设计.根据图1(b )的控制波形,将一个周期控制过程细分为16个状态,不断循环来实现.如图3所示,分别为:关闭S2(s2_off )、超前桥臂死区时间延时(st0)、打开S1(s1_on )、占空比延时(st1)、关闭S3(s3_off )、滞后桥臂死区时间延时(st2)、打开S4(s4_on )、半周期延时(st3)、关闭S1(s1_off )、超前桥臂死区时间延时(st4)、打开S2(s2_on )、占空比延时(st5)、关闭S4(s4_off )、滞后桥臂死区时间延时(st6)、打开S3(s3_on )、半周期延时(st7).DP WM 模块启动后先初始化,将4路输出都置为低电平,然后开始状态循环,输出移相控制波形.在I SE9.1中综合得到的模块如图6所示,DP 2WM _T OP 为占空比延时值输入端,按照上面的计算取11位数据宽度,在每个周期结束时被读入DP WM 控制器,实现占空比调节.DP WM _CLK 为时钟输入端,输入时钟频率为200MHz .DP WM _RST 是DP WM 模块的复位引脚,当检测到一个高电平时,执行复位动作,DP WM 模块的输出全部变为低电平,用于在检测到DP WM 模块工作异常时进行恢复.DP WM _OUT 为4路输出信号,B it0～B it3分别对应开关S 1～S 4.图3 P WM 模块状态流程图F i g .3 St a te -flows of the D P WM m odule 为了便于仿真测试,将模块中的Ts 设定为200个时钟,死区时间设为5个时钟.输入测试波形相位延时时间为30个时钟,然后再设为60个时钟,观察输出的P WM 信号是否发生了改变.仿真输出波形如图4所示.从图上可知,当输入的相位延时设置由30变为60时,输出并没有马上改变,而是等到当前周期结束时,才将新的相位延时值读入控制器,在下一周期生效,这与设计的设想是一致的,在每个周期结束时才会装载新的相位设置.当移相时间为30时,可以看到S 1与S 4、S 2与S 3的相位时间间隔很短,从标注可以看到是6μs,而移相时间设为60时的相位时间间隔是12μs,正好比相位延时值为30时的值大了一倍.由仿真得到的波形可以知道模块的输入输出关系与设计阶段的理论值一样,达到了设计要求.2.2 P I D 控制模块数字P I D 控制算法的实现须用数值逼近的方法.本设计采用如下的增量式的P I D 控制算法.u (k )=u (k -1)+[q 0e (k )+q 1e (k -1)+q 2e (k -2)](1)公式(1)中q 0、q 1、q 2三个参数只与K p 、K i 、K d有关,只要在设定参数时计算一次即可,得到的控制增量只需要与上一次的控制量运算即为此次控制量.据此编写VHDL 代码,并在I SE9.1中综合,得到的P I D 控制器模块见图6所示,其中EK 为误差输入,通过ADC 采样比较得到,12位数据宽度,最高位为符号位,在WR 的上升沿时锁定并读入P I D 模块中进行运算;Q I 0～Q I 2分别为P I D 运算器的三个计算参数Q0～Q2,11位数据宽度,无符号位;UK 为数字控制量的绝对值输出;P I D _85南华大学学报(自然科学版) 2009年3月CLK 为时钟输入,为运算器提供工作时钟.P I D _RST 为复位输入,高电平复位有效,此时会清除运算器的输出,即UK =0;同时只有P I D _RST =1时,Q I 0～Q I 2的值才会被读入P I D 运算器中.图4 DP WM 仿真波形图F i g .4 D P WM si m ul a ti on wavefor m s2.3 ADC 控制模块为了实现高频开关电源精确的电压调节特性,AD 转换器采用闪速式(Flash )ADC,转换周期仅为一个时钟周期,因此转换速度非常快.本设计采用ADS805,使用状态机完成ADC 控制器的设计,状态图如图5所示,S0先输出一个时钟上升信号,S1再输出一个时钟下降信号,形成一个完整的AD 时钟输出,S2读取AD 转换值,计算出误差值,并将误差值送到数据总线上,S3给P I D 控制器发一个WR 信号,表示新的采样误差值就绪,返回状态S0,输出时钟上升信号.设计得到的模块如图6所示.端口AD _DAT A 是ADC 转换后的数据输入端口,VSET 是系统期输出望值的输入端口,ADC_CLK 是模块的工作时钟输入,最高为20MHz,AD _CLK 是模块对ADC 输出时钟信号的端口,AD _OVR 是溢出信号检测口,与ADS805的OVR 引脚相连,ALARM _OUT 是异常信号输出口,当检测到异常时输出一个高电平给外部的保护电路,EK 和WR 分别与P I D 控制器模块的EK 和WR 相连.AD_CLK =1 AD_CLK =0△E =U set -Uadc WR =0 WR =1图5 ADC 接口状态图F i g .5 St a te -flows of ADC i n terface图6 模块连接图F i g .6 M odules connecti on graph95第23卷第1期 陈文光等:基于FPG A 的全数字化移相P WM 控制器设计3 实验结果根据以上的设计思路,按照自顶向下的设计方法,在I SE 中编写顶层文件把系统的主要功能子模块连接成一个完整的控制系统,整个系统共占用30个I O 口,输出的四路信号图7(a )所示,输出频率为24.4kHz .然后将控制器应用到500W ,输出电压为48V 的开关电源中.在FPG A 输入时钟频率为50MHz 的情况下,经过四倍频后得到200MHz,作为DP WM 模块的时钟,将开关频率的宽度取12位,而占空比延时t 的宽度取11位,此时DP WM 输出频率为48.8kHz .调试过程中,由软件合理设置上述各状态的延时,就可以方便的实现软开关.图7(b )为在满载的情况下,MOSFET 管电压和栅极驱动信号的波形,从实验波形中看出完全实现了零电压开关.图7(c )为实验样机在不同输出功率情况下的效率,最大效率可以达到91.5%.图7 实验结果F i g .7 Exper i m en t a l results4 结束语文中介绍了一种基于FPG A 的全数字化移相P WM 控制器的设计方法,对控制器的主要部分进行了说明,并采用有限状态机法设计了DP WM 和ADC 控制等功能模块,并制作了一台高频开关电源实验样机,实验结果表明该方法可行,符合设计要求.该方法的特点是具有在线可编程能力,简化了设计制造流程,使调试和维护工作变得轻松.数字P WM 已经表现出相当多的优点,但仍有一些问题需要进一步研究,例如怎样提高DP WM 的分辨率的问题,数字化后系统动态稳定问题等.参考文献:[1]孟 浩,贾 晨,陈志良.数字控制PF M /P WM 混合型DC -DC 开关电源[J ].微电子学与计算机,2008,25(1):166-169.[2]Hwu K I,Yau Y T .FPG A -Based Phase -Shift Z VSFull -B ridge DC -DC Converter U sing One -Compara 2t or Counter -Based P WM Contr ol Strategy[C ]//Power Electr onics and D rive System s .PE DS07,Bangkok:I EEE .2007:483-487.[3]Youzhu L ing,J ing meng L iu,B ihui Luo,et al .Design ofMonolithic Chi p I nverter Based on FPG A [C ]//I ndustri 2al Electr onics and App licati ons,I C I E A 2007.,Harbin:I EEE,2007:2627–2632.[4]陈 坚.电力电子学———电力电子变换和控制技术[M ].北京:高等教育出版社,2002.[5]张 怡,姜岩峰.数字P WM 技术的实现及其应用进展[J ].半导体技术,2007,32(7):618-621.06南华大学学报(自然科学版) 2009年3月。
基于FPGA和DSP的PWM逆变器控制系统研究
基于FPGA+DSP的PWM逆变系统研究1.序言近几年，由于逆变电源的迅猛发展，呈现出多种PWM逆变的控制系统。
有采用单片机和PWM专用芯片，通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节，从而获得稳定的输出。
当控制电路设计完成后，就是一个相对独立的系统，调节、控制方式不能再更改，系统的总体协调功能差。
由于DSP运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为PWM逆变控制应用提供了一条有效途径。
但灵活性差，通用的DSP系统总体控制、协调性能不是很好，而且DSP开发过程比较复杂，开发工具价格昂贵。
FPGA近几年快速发展，具有功能模块设计灵活，集成度高，速度快，设计周期短，应用在数字化电力电子设备中可硬大大简化控制系统结构，受到不少PWM逆变电源设计者的亲睐。
但其不足就是：进行复杂计算时编程困难，而且模数转换和显示等功能都得依靠外部芯片。
2.基于FPGA和DSP逆变系统的控制结构鉴于FPGA和DSP各自的优缺点，这里提出一种基于FPGA和DSP的PWM 逆变系统控制结构。
DSP内部结构已经固定，通过对RAM内部的指令和数据变换工作开发遵循嵌入式软件的设计原则。
承担实现触发脉冲控制，显示和参数调节，系统检测信号处理，电流电压反馈信号计算等。
FPGA内部结构是寄存器和组合逻辑（查找表），遵循逻辑电路设计原则。
信号逻辑关系处理和PWM驱动信号的生成就交给FPGA来实现。
数据采集图1 系统框图主控板基于TMS32OLF2812 DSP，它是整个系统的核心，主要实现触发脉冲控制，显示和参数调节，系统检测保护功能。
通过键盘或旋钮输入控制命令和逆变器输出频率设定，DSP向FPGA送入需要的触发脉冲信息，同时检测保护信息并实时显示。
还可以通过标准接口与外部系统进行通信，完成逆变器的智能管理和实时数据交互。
辅助FPGA模块，输出多路触发脉冲至驱动电路，DSP仅发送控制命令和设置参数，使得脉冲触发电路具有可扩展性和通用性。
SPWM工作原理及建模
SPWM工作原理及建模SPWM是一种调制技术，全称为Sinusoidal Pulse Width Modulation，即正弦脉宽调制。
它是一种用来控制逆变器输出波形的技术，适用于交流调压调速控制、电力供应的可控制直流源等领域。
SPWM的工作原理是将待控频率的正弦波与一个高频三角波进行比较，并通过调整脉冲的宽度来实现对输出波形的控制。
SPWM的工作原理基于以下几个关键步骤：1.生成三角波：使用一个可调的频率高于待控频率的三角波发生器来生成高频三角波。
这个高频三角波用来与待控频率的正弦波进行比较。
2.生成正弦波：通过一个正弦波发生器生成待控频率的正弦波。
3.比较器：将生成的正弦波与高频三角波进行比较。
比较器的输出信号形成了SPWM信号。
4.比较结果：比较器根据正弦波的幅值与三角波的幅值之间的比较关系，分析出幅度大小，进而得到高电平时间与低电平时间的比值。
5.控制输出：利用比较结果调整输出脉冲的宽度，控制逆变器的开关管的开关时间，从而实现对输出波形的控制。
通过以上步骤，SPWM可以将高频三角波与待控频率的正弦波进行比较，并通过调整脉冲的宽度来控制输出波形。
比较结果会根据正弦波的幅值与三角波的幅值之间的比较关系，将高频三角波的低电平和高电平时间比例反映到输出波形上，从而实现对输出波形的调节控制。
SPWM的建模可以用数学公式来描述。
设待控频率的正弦波为x(t)，高频三角波为y(t)，输出波形为z(t)。
则SPWM的控制方法可以表示为：z(t)=f(x(t),y(t))其中，f是一个函数，它描述了如何根据输入的正弦波信号和高频三角波信号来得到输出波形信号。
具体参数与函数形式由SPWM的具体实现决定。
一般而言，这个函数会通过比较正弦波信号和三角波信号的幅值来决定输出波形的脉冲宽度，从而控制输出波形的形状。
总结起来，SPWM是一种通过比较三角波和正弦波来控制输出波形的技术。
它的工作原理是通过调整脉冲的宽度来实现对输出波形的控制。
基于FPGA的步进电机控制器设计
- - -..毕业设计〔论文〕开题报告〔含文献综述、外文翻译〕题目基于FPGA 的步进电机控制器设计姓名学号专业班级所在学院指导教师〔职称〕二○一一年六月十五日-毕业设计〔论文〕开题报告〔包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、拟解决的关键问题、预期结果、研究进度方案等〕1.选题的背景和意义1.1 选题的背景步进电机已成为出直流电机和交流电机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。
可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。
开展了一系列新的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的就是步进电机。
步进电机的开展与计算机工业密切相关。
自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的促进了步进电机的开展。
另一方面，微型计算机和数字控制技术的开展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
步进电机是一种使用非常广泛且易于准确控制的执行元件，随着微电子技术的开展，其控制方法多种多样。
基于FPGA 技术对步进电机的转速进展准确控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。
1.2 国内外研究现状步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的创造也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改进，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要准确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。
基于FPGA的PWM控制器设计
FＰGA实验报告基于FPＧＡ得ＰWM控制器设计1设计任务与要求1、1掌握PWM技术原理;了解PＷＭ控制方法及应用;完成基于FPGA得PWM控制器设计。
1、2通过课程设计得实践,进一步理解与掌握硬件描述语言(VHDL或Ｖerilog)与TOP-DOＷN得设计流程,提高对实际项目得分析与设计能力，体会FＰGA项目得过程，熟悉实验报告得编写规范。
2设计原理分析２、1利用FＰGA语言编写程序实现对5０ＭHZ得硬件晶振进行分频与调节占空比。
对硬件晶振得上升沿就行计数,当2nＨZ频率利用高低电平进行分频时，当计数到n-1就就是对原电平进行反向就可以实现分频。
占空比就就是对上升沿得计数就就是两个不同得数值时进行反向。
2、2脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就就就是对逆变电路开关器件得通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等得脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要得波形。
也就就就是在输出波形得半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲得等值电压为正弦波形,所获得得输出平滑且低次谐波少。
按一定得规则对各脉冲得宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压得大小，也可改变输出频率。
ﻫﻫ例如，把正弦半波波形分成Ｎ等份,就可把正弦半波瞧成由Ｎ个彼此相连得脉冲所组成得波形。
这些脉冲宽度相等,都等于∏/n ，但幅值不等,且脉冲顶部不就就是水平直线,而就就是曲线,各脉冲得幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲序列用同样数量得等幅而不等宽得矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲得中点与相应正弦等分得中点重合，且使矩形脉冲与相应正弦部分面积(即冲量）相等，就得到一组脉冲序列,这就就就是PWM波形。
可以瞧出,各脉冲宽度就就是按正弦规律变化得。
根据冲量相等效果相同得原理，PＷM波形与正弦半波就就是等效得。
对于正弦得负半周,也可以用同样得方法得到PＷM波形。
在PWＭ波形中,各脉冲得幅值就就是相等得，要改变等效输出正弦波得幅值时,只要按同一比例系数改变各脉冲得宽度即可，因此在交－直-交变频器中,PWM 逆变电路输出得脉冲电压就就就是直流侧电压得幅值。
SPWM原理范文
SPWM原理范文SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）波形是一种脉宽调制技术，用于控制交流电转换器中的电压或电流。
在SPWM技术中，将一个正弦波信号与一个高频的三角波信号进行比较，通过调节脉冲宽度来控制输出的电压或电流的形状。
SPWM波形产生的基本原理是：控制电压（或电流）与参考正弦波进行比较，得到一个误差信号。
这个误差信号经过比例放大形成一个调制信号。
调制信号与高频的三角波信号进行比较，产生脉冲宽度的控制信号。
通过改变这个控制信号的脉宽，可以改变输出电压的幅度。
1.参考信号产生：首先，需要生成一个基于所需输出电压频率的正弦波信号作为参考信号。
可以使用信号发生器来产生这个参考信号，或者通过运算生成。
2.误差放大：将输出电压与参考信号进行比较，得到一个误差信号。
通常使用差分放大器对这个误差信号进行放大。
3.调制信号生成：将放大后的误差信号进行滤波，得到调制信号。
滤波的目的是使调制信号变得平滑，以避免输出波形的失真。
通常使用低通滤波器进行滤波。
4.三角波信号生成：使用一个高频的三角波信号作为参考波形，并将其与调制信号进行比较。
5.脉冲宽度控制：将调制信号与三角波信号进行比较，产生一个控制信号。
这个控制信号的脉宽取决于调制信号与三角波信号之间的差值。
6.输出电压控制：使用控制信号的脉宽来控制输出电压的形状。
当控制信号的脉宽较窄时，输出电压较小；当脉宽较宽时，输出电压较大。
SPWM技术的优点在于能够产生高质量、低失真的输出电压或电流波形。
同时，它还可以提供较高的功率因素和更低的谐波含量。
此外，SPWM技术还具有较好的实时性和动态性能，能够满足各种工业应用领域的需求。
然而，SPWM技术也存在一些局限性。
其中一个主要的局限性是在高功率应用中，需要采用高频的三角波信号来产生SPWM波形，这会增加硬件设计的复杂性。
另外，SPWM技术对于非线性负载的适应性较差，可能导致输出波形的失真。
基于FPGA的三相SPWM控制器的设计
基于FPGA的三相SPWM控制器的设计黄玉健;甘国妹;黄永庆【摘要】研究者基于FPGA设计了一种三相SPWM控制器,该设计器以Altera公司的Cyclone III系列的EP3C25Q240C8芯片作为控制核心,结合直接数字频率合成技术(DDS),利用Verilog语言和LPM宏模块设计生成三相SPWM控制器.设计仿真结果以及用逻辑分析仪SignalTap II采样显示的结果表明,该三相SPWM控制器具有调制波频率、载波频率、调制度、载波比以及死区时间均可以灵活调节的优点,生成的三相SPWM波适应性强,可方便应用于逆变电源的变频调压以及电机变频调速等领域.【期刊名称】《玉林师范学院学报》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】8页(P41-48)【关键词】三相SPWM控制器;FPGA;DDS【作者】黄玉健;甘国妹;黄永庆【作者单位】梧州学院图像处理与智能信息系统广西高校重点实验室,广西梧州543002;玉林师范学院电子与通信工程学院,广西玉林 537000;梧州学院图像处理与智能信息系统广西高校重点实验室,广西梧州 543002【正文语种】中文【中图分类】TN7411 引言PWM（（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术是非常重要的电气控制技术，在高性能要求的电机变频调速、步进电机精细控制、变频调压电源、电力电子逆变控制等方面均有非常重要的应用［1］. 当进行脉冲宽度调制的时候，使系列脉冲的占空比按照正弦规则来排列，那么输出的信号经过D/A转换和滤波可以得到正弦波形的电压，就是正弦波脉冲宽度调制（Sinusoidal PWM），亦即SPWM［3］. 相比于其他方式的脉冲宽度调制，诸如空间矢量PWM、随机采样PWM、电流滞环PWM、自然采样PWM、等面积采样PWM或规则采样PWM 等，SPWM在电气控制技术等应用中，产生的谐波成分最小，所以应用也最广泛［1］. 在交流电机变频调速和逆变电源的变频调压等领域，SPWM控制技术已经得到非常广泛的应用.目前有多种能够产生SPWM脉宽调制波的方法，常用的方法中，一种是典型的传统的方法，即利用模拟电路对正弦调制波与三角载波进行比较来产生SPWM脉冲. 该种设计电路复杂，难以与数字系统连接，对于复杂要求很难满足；另一种是使用具有生成PWM波的专用芯片，如TI公司的DSP芯片TMS320F240和TMS320F2812等，该种方法也是数字化设计，但通常不够灵活，比如只能产生6路或12路的PWM信号［3］. 而基于FPGA的方法设计产生SPWM脉宽调制波，暨可以利用FPGA并发执行的速度优势来实现实时生成SPWM波形，也可以利用FPGA半定制电路的特点来实现快速灵活的硬件编程［2］，使产生的SPWM波形具有调制波频率、载波频率、调制度、载波比以及死区时间均可以根据需要灵活调节的优点.本文的组织结构如下：第2节对SPWM产生技术原理、基于FPGA的数字直接频率合成（DDS）信号发生器产生调制波的正弦波技术原理进行理论分析；第3节应用FPGA内部丰富的半定制逻辑电路，根据技术原理设计出DDS三相正弦信号发生器、三角波发生器、幅度控制器、比较器以及死区控制电路；第四节对设计出来的三相SPWM控制器进行仿真和输出波形分析. 第5节对本文进行总结.2 基于FPGA的三相SPWM控制器设计原理2.1 SPWM波形产生技术原理图1 SPWM波生成原理图图1是SPWM波生成原理图，图1上方等腰三角波是载波，正弦波是调制波. 用数字方式生成SPWM波形原理是，先把载波等腰三角波和调制波正弦波均用数字方式产生，然后这两路数字波形信号通过一个数字比较器进行比较，如果三角波大于正弦波，则比较器输出0，反之，如果正弦波大于三角波，则比较器输出1.图1下方输出的脉冲波形就是产生的SPWM波形.从上述SPWM波形产生技术原理中知道，要产生三相SPWM波形，就必须要先生成三相调制波正弦波和载波三角波. 然后分别让三相正弦波和三角波通过比较器，按SPWM波生成原理输出相应的三个SPWM波形，就可以得到三相SPWM波形. 图2就是三相SPWM控制器电路模块图［1］.图2中有5个部分构成，分别是DDS正弦波发生模块、三角波发生模块、幅度控制模块、比较器模块以及死区控制模块. 下面介绍这5个模块的作用.DDS正弦波发生模块主要是用来产生三相调制波正弦波，分别是0°正弦波、120°正弦波和240°正弦波.该模块也产生三角波发生模块所需的时钟信号tri_CLK，其实就是按DDS原理产生的一个方波信号. 该模块产生的另外一个时钟信号D_CLK是频率两倍于系统时钟信号CLK0频率的一个时钟信号，用来作为死区控制模块的系统时钟.图2 三相SPWM控制器电路模块图三角波发生模块就是用来产生载波三角波，在三角波的数据位已经确定的情况下，其频率由时钟信号tri_CLK的频率来决定，这可以通过DDS正弦波发生模块内部相对应的频率控制字来调节，也可以通过对应的频率控制字来调节三角波频率和三相正弦波频率的变化关系来决定是同步调制还是异步调制. 这里涉及一个参数是载波比，是指载波三角波频率ftri和调制波正弦波的频率fsin的比值，记为Kf，即理论上载波比越大输出精度也越高，也就是输出SPWM波形通过IGBT硬件电路后还原为正弦波的精度越高，但过大的载波比也要求IGBT的开关频率极高，导致开关管高功率损耗，甚至于无法满足过高的开关频率. 所以，载波比的选择要针对实际需要并结合具体的IGBT器件性能来选择. 通过改变DDS正弦波发生模块内部相对应的频率控制字，可以灵活调节正弦波和三角波的频率，进而调节载波比. 幅度控制模块的作用是用来调节正弦波和三角波的相对幅值度. 因为要灵活改变输出SPWM波形的调制度，就得通过改变正弦波和三角波的相对幅值大小来实现. 调制度，是指调制波正弦波的幅值Vsin和载波三角波幅值Vtri的比值［5］，记为KA，即一般上，调制度KA的范围在0到1之间，实际的范围通常还要小. 如果KA>1，则称为过调制. 调制度反映了载波的幅度受低频调制信号控制的程度. 在应用SPWM设计的变频电源中，通过更改调制度KA可以方便的调节输出电压. 而在本设计中，可以通过改变正弦波的幅值系数AML_sin和三角波的幅值系数AML_tri 来实现调制度KA的灵活调节.比较器模块的作用，就是通过输入调整幅值之后的三相正弦波和三角波，通过比较器，按照SPWM生成原理来生成输出三相SPWM波形，分别为SPWM_A、SPWM_B和SPWM_C.死区控制模块是为了保护IGBT，防止上下桥臂同时导通而烧毁IGBT器件. 每一相SPMW波形控制一对IGBT器件，SPWM信号和SPWM相反状态的信号各控制一个，通过延迟上升沿变化信号的变化时间来防止这一对IGBT同时导通，设置的延迟时间就称为死区时间. 为了得到更精确的死区时间，死区控制模块的时钟D_CLK为系统时钟CLK0的两倍，通过锁相环技术得到. 本设计中，系统时钟CLK0为50MHz，D_CLK为100MHz.2.2 基于FPGA的DDS正弦波生成原理［6］图3 DDS结构原理图图3为基于FPGA的DDS正弦波生成结构原理图. 它的典型结构主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表和DA转换器以及低通滤波器构成. 由于本设计的最终目的不是生成正弦波，生成数字化正弦波后还要结合数字化三角波最终生成SPWM波形，设计中整个过程都是数字化设计，所以图3中不需要DA转换器以及低通滤波器.在图3中，相位累加器是DDS波形信号发生器的核心，功能是完成信号的相位累加功能. 相位调制器的作用是对相位累加器的输出信号进行相位调制. 正弦波ROM 查找表的功能是完成一个周期离散正弦数据查表的转换，相位调制器的输出就是ROM的地址值，根据地址值找到相应的离散正弦数据，输出一个周期的离散正弦波数据就得到一个周期的数字化正弦波.根据DDS原理，输出正弦波的频率为［7］：式（3）中，fclk是系统基准时钟clk的频率，N是相位累加器的数据位宽度，B 是频率控制字，也称频率输入字. 在硬件已经确定，也就是fclk和N都已经设计定型的情况下，输出频率值就由当时输入的频率控制字B来确定. 而且频率控制字B的数据位宽度也是N.而对于DDS系统输出正弦波的频率分辨率Δf，即俗称输出频率最小步进值，就是频率控制字B步进一个最小间隔，亦即B=1对应的频率输出值. 由公式（3）得到：由公式（3）和公式（4）可知，只要基准频率fclk足够高频足够稳定，同时N足够大，利用DDS技术，可以实现输出任意频率和任意精度的正弦信号波形［4］，而同在FPAG中利用锁相环技术，fclk实现高频高稳定基准时钟功能是很容易的，因而输出的正弦波的频率范围和精度要求都容易得到满足.3 基于FPGA的三相SPWM控制器设计3.1 DDS正弦波发生模块设计本设计依托的FPGA芯片是Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25Q240C8芯片. 根据图3 DDS正弦波结构原理图，可以得到本设计所需的基于FPAG的DDS三相正弦波发生模块设计电路图，如图4所示，系统时钟CLK为来自晶振的50MHz时钟信号.图4 DDS三相正弦波发生模块设计电路图图4中ADDER32是32位加法器，DFF32是32位寄存器，两者共同构成32位相位累加器. 正弦波ROM查找表分别由sin_rom01、sin_rom120和sin_rom240三个模块构成，它们的地址宽度和数据宽度均是10位，分别用来产生0°、120°和240°的正弦波. fangbo_rom是方波rom查找表，用来产生方波，地址宽度和数据宽度也都是10位. 由于产生的方波是作为产生载波三角波的驱动时钟信号，为了后续设置SPWM波的载波比和输出频率，在正弦波的频率字和方波频率字之间放置一个乘法器模块tra_sin_bilv. 乘法器的一个输入是正弦波频率字，另外一个输入是系数，输出的低32位作为方波的频率字. 由于三角波发生模块的地址宽度和数据宽度也都是10位，假设该系数为M，则M和载波比Kf的关系为：图4中PLL4M模块是锁相环模块，用来输出两个时钟信号，C0输出频率100MHz，用来作为死区控制模块的系统时钟. C1输出频率为10KHz，用来作为逻辑分析仪SignalTap II的时钟信号.图5是图4设计电路输出的三相正弦波以及方波在逻辑分析仪SignalTap II显示的波形，其中三相正弦波sin0、sin120和sin240分别是0°、120°和240°的正弦波，频率为50Hz. 方波TRA_CLK频率为1.024MHz.图5 DDS三相正弦波发生模块输出三相正弦信号和方波信号SignalTap II实时数据采样波形图根据式（3），图5中的正弦波频率可以通过改变正弦波输入频率字方式实现. 根据式（5），在确定载波比的情况下，通过改变乘法器输入系数M，可以改变输出方波的频率.3.2 三角波发生模块设计由于载波三角波是等腰三角形，所以可以利用地址计数器前半段的地址值作为等腰三角形的上升边，地址计数器后半段的地址值的取反值作为等腰三角形的下降边. 本设计的三角波发生器地址宽度和数据宽度也均是10位，因此三角波的计数器也是10位. 图6是三角波发生模块的设计电路图，其中counter10B模块是10位地址计数器，sanjiao模块是三角波发生模块.图6 三角波发生模块设计电路图3.3 死区控制模块设计幅度控制模块可以直接调用LPM中的宏模块乘法器，比较器模块也是可以直接调用LPM中的宏模块比较器. 这小节重点阐述死区控制模块设计.由2.1中死区控制模块的功能与原理可知，死区控制模块就是要实现对每一相SPWM波形控制的一对IGBT不能同时导通. 由于IGBT器件从导通到关断的过程中有时间延迟，因此防止同一个SPWM波形控制的一对上下桥臂IGBT同时导通的方法，是当一个IGBT从导通转变为关断时，对另外一个IGBT器件人为设置延长从关断到导通的过渡时间. 反映到SPWM波形，就是凡是上升沿的时刻都根据需要延迟其跳变时间，延迟的具体时间根据IGBT的性能指标来决定.图7 死区控制模块设计电路图图7是死区控制模块设计电路图. 其中SPWM_IN是输入的一相SPWM波，d_clk0是接DDS三相正弦波发生器模块输出的100MHz时钟信号. SIQU_CTRO是控制单个IGBT的死区控制电路. 输出out_H和out_L是经过死区控制之后的SPMW波形，分别控制一对IGBT的上下桥臂. 死区控制延迟时间可通过改变SIQU_CTRO电路里的参数来调节.4 基于FPGA的三相SPWM控制器顶层电路设计及输出波形分析4.1 基于FPGA的三相SPWM控制器顶层电路设计根据图2 三相SPWM控制器电路模块图和第3节各个子模块的设计电路图，可以得到基于FPGA的三相SPWM控制器顶层电路设计图，如图8所示.图8 基于FPGA的三相SPWM控制器顶层电路图图8中左边的clk0是系统总的输入系统时钟，频率为50MHz. DDS_ES是DDS三相正弦波发生模块，tra3是三角波发生模块. 四个AM_CTRO是乘法器，作为是幅度控制模块，M_tra［4..0］是三角波幅度控制系数，M_sin［4..0］是正弦波幅度控制系数. 由于产生的正弦波和三角波的数据位宽同样都是10位，根据式（2）可得调制度KA的具体表达式为：从式（6）可知，通过设置M_sin［4..0］和M_tra［4..0］可以灵活调节输出SPWM波形的调制度.CMP_10和CMP都是比较器模块，其输入是三角波和正弦波，输出是SPWM波. 其中CMP_10是10位比较器，CMP是14位比较器，后者是产生经过幅度控制的SPWM波形，前者是产生没有经过幅度控制的一路SPWM波形，是为了验证没有调制的SPWM波形和调制度小于1的SPWM波形的区别而设置的.4.2 输出波形分析图9是输出的三相SPWM波形SignalTap II实时数据采样波形图.图9 SPWM波形SignalTap II实时数据采样波形图图9中SPWM_A0是没有经过调制的A相SPWM波形，SPWM_A、SPWM_B和SPWM_C是调制度为90%的A、B、C三相SPWM波形. 其中产生SPWM_A和SPWM_A0两个波形的调制波是一样的，也就是用相同的0°正弦波作为调制波，不同的地方是产生SPWM_A的波形的调制度是90%，而产生SPWM_A0的波形的载波和调制波都没有经过幅度控制，调制度是100%. 在图9中可以明显看出两种波形SPWM_A0和SPWM_A的区别.图10 死区控制电路输入输出波形仿真图图8顶层电路图中SIQU_KONGZHI是死区控制模块，每个SIQU_KONGZHI模块输出上下桥臂一对IGBT器件所需的SPWM控制信号. 图10是死区控制电路输入输出波形仿真图，其中SPWM_A是A相SPWM波形，也是A相死区控制电路的输入SPWM波形，SPWM_AH和SPWM_AL分别是A相死区控制电路输出控制上桥臂和下桥臂的SPWM波形，SPWM_BH和SPWM_BL分别是B相死区控制电路输出控制上桥臂和下桥臂的SPWM波形.限于仿真图的大小，图10中没有给出C相死区控制电路输出控制上桥臂和下桥臂的SPWM波形. 从图10中可以看出SPWM_AH上升沿明显延迟于SPWM_AL的下降沿，也就是中间错开了一段死区时间. SPWM_BH上升沿也明显延迟于SPWM_AL的下降沿.图11 输出频率50Hz载波比20调制度90% 的三相SPWM波SignalTap II实时数据采样波形图图12 输出频率40Hz载波比15调制度85% 的三相SPWM波SignalTap II实时数据采样波形图图11和图12分别是输出频率50Hz载波比20调制度90% 和输出频率40Hz载波比15调制度85%的三相SPWM波SignalTap II实时数据采样波形图，均是经过死区控制输出的三相6路SPWM波形，满足了输出频率、调制度、载波比以及死区时间均可以灵活调节的设计目的.5 总结本文基于Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C25Q240C8 FPGA芯片作为控制核心，结合直接数字频率合成技术（DDS），利用Verilog语言和LPM宏模块设计生成三相SPWM控制器. 设计仿真以及用逻辑分析仪SignalTap II采样显示的结果表明，该三相SPWM控制器具有调制波频率、载波频率、调制度、载波比以及死区时间均可以灵活调节的优点，达到了设计的目的. 该控制器可方便应用于逆变电源的变频调压以及电机变频调速等电气控制领域. ■【参考文献】［1］潘松，黄继业，潘明.EDA技术实用教程—Verilog HDL版（第5版）［M］.北京：科学出版社，2013：354-356.［2］潘健，张小磊，张伯顺，王淑青.基于FPGA 的SPWM 变频调压电源研究［J］.电源技术研究与设计，2015，39（2）：386-388.［3］丁卫东，郭前岗，周西峰.一种基于FPGA的SPWM波的实时生成方法［J］.计算机技术与发展，2011，22（2）：211-214.［4］廖磊，何魏，周晓林.单片机与FPGA实训教程［M］.北京：科学出版社，2016：310-317.［5］彭宏涛，基于FPGA的变频电源的设计与实现［D］.昆明：云南大学.2012：7-9［6］黄继业，潘松.EDA技术及其创新实践（Verilog HDL版）［M］.北京：电子工业出版社，2012：123-126.［7］黄玉健，黄永庆.基于FPAG的DDS多功能信号发生器的设计［J］.梧州学院学报，2017，27（3）：10-16.。