采用FPGA的SPWM变频系统设计

    由于脉宽调制技术是通过调整输出脉冲的频率及占空比来实现输出电压的变压变频效果，所以在电机调速、逆变器等众多领域得到了日益广泛的应用。

    而电磁法作为一种地球物理探测的有效方法，已经广泛地应用于矿藏勘探、地质灾害预测等领域。电磁法仪一般包括发射机和接收机两大部分。现阶段，电磁法仪器的发射机部分一般直接采用等宽PWM技术，其电流谐波畸变率较大，电压利用率不高，效率很低。

    本文利用FPGA技术，根据SPWM自然采样法原理，设计了应用于电磁法仪的发射机的SPWM系统。该系统应用到现有的电磁法仪器中，与原来的PWM产生的效果进行比较，得到良好的效果。

    1 SPWM技术原理

    SPWM信号的原理为：用一组等腰三角形波与一个正弦波比较，其交点作为开关管“开”或“关”的时刻。产生SPWM信号有多种方法，如谐波消去法、等面积法、采样法等。

    利用正弦波和等腰三角形的交点时刻决定开关管的开关模式，这种方法称为自然采样法。其可以分为单极性三角波调制法和双极性三角波调制法，其原理图如图1所示。本文采用的是双极性调制法。


    2 SPWM系统的硬件实现

    2.1  系统整体设计

    系统原理如图2所示。系统先生成三角波信号和正弦波信号，通过两者输出的比较产生脉冲序列，并对输出的脉冲进行死区延时、数字滤波等处理。主要模块有：分频器、三角载波发生器、正弦函数表寻址、正弦函数表、死区时间延时模块和数字滤波模块等。


    2.2三角载波发生器

    本设计中通过加减计数器来产生载波三角波，三角波的幅值取256。先从0开始计数到256，再从256减数到0，得到半个周期的三角载波，然后重复前半周期的计数方式，对得到的计数值取负，这样就可以得到一个周期的三角载波。

    图3是三角载波模块的仿真图。可通过设定triwave_fp的值来实现三角波的分频，当系统时钟为10 MHz时，图3(a)设triwave_fp为0，此时三角波周期为102.4 μs；图3(b)设triwave_tp为1，其周期变为204.8 μs。通过改变triwave_fp的取值，可以得到不同频率的载波。



    2.3  正弦波发生器

    本设计利用Matlab软件工具，把正半周期的正弦波512等分后，把数据存人ROM中。调用ROM中的数据，即可实现正半周期正弦波。再对正半周期取反，即可得到负半周期的值。本设计为了使得到的脉冲宽度可调，加上了正弦幅度相乘调节模块，其模块原理图如图4所示。



    同样，可以控制模块分频单元，和调幅单元，改变正弦波的频率及幅度。

    2.4  比较模块

    三角载波和正弦参考波发生模块设计完成后，对其输出的结果进行比较以产生SPWM脉冲信号。可以通过Verilog硬件描述语言实现，比较规则设置为当载波的数值小于正弦波的函数值时，输出‘1’，否则输出‘0’。

    2.5  死区时间延时模块

    比较模块后，得到两路SPWM序列信号(xl，xh)，用于控制电路的上下桥臂的开关。理论上，这两路信号是完全互补的。然而，由于功率器件开通和关断时间不完全相等，器件的关断时间实际上要长于导通时间。因此，为避免上下桥臂上功率器件瞬态短路必须提供一段时间的延时，使功率开关管导通之前确保相应的开关管已经截止。

    脉冲延时是通过上升沿实现的，延时时间的实现主要通过一个10位的加减计数器来实现。设死区时间为max，延时计数器计数规则如下：

    (1)当输入为0时，若计数值等于0，则计数值保持不变；否则，作减1计数；

    (2)当输入为1时，若计数值等于max，则计数值保持不变；否则，作加1计数；

    (3)当输入为1且死区计数器数值为max时，xl=0，xh=1，上桥臂导通；

    (4)当输入为0且死区计数器数值为0时，xl=1，xh=0，下桥臂导通；

    (5)当死区计数器数值在0～max之间时，xl=0，xh=0，上下桥臂均截止，形成死区。

    2.6  系统仿真

    最后可以根据需要，设置时钟、分频、死区时间等的值。对设计进行仿真，设定三角波频率为正弦波频率的5倍，得到的仿真结果如图5所示。

    观察图5的输出信号xh，xl，可以看出其脉宽是按正弦规律变化的，因此设计满足要求。

    2.7滤波模块

    由于数据采集过程中不可避免地存在许多干扰，有效信息被它们所掩盖，因此必须对资料进行提高信噪比的数字滤波处理。为了提高研发速度，滤波模块直接采用Altera公司的IP核来生成。

    设置参数，设计一个带通频率为7.5～12.5 kHz的数字滤波器，采用Hanning窗设计结构，利用Matlab软件的数字滤波设计分析工具，可以得到频率衰减图如图6所示。可以看出其带通效果明显，符合系统要求。


    3系统的应用

    把设计的SPWM系统应用于某公司设计的电磁法仪上，其主要原理就是利用专用设备向介质体发射一个电磁场，这种迅速衰减的磁场在其周围的介质中感应出新的二次场。利用其原理，该仪器设计了一道发射道和三道接收道。图7(a)是原仪器采用发射频率为9.8 kHz的PWM波发射得到的结果，前四道是滤波前的波形图，后四道是滤波后的波形图。控制本系统发射频率为9.8 kHz进行调试，把发射道和接收道的数据经过串口通讯上传到上位机上显示，波形如图7(b)所示。发射道经滤波后产生较理想的正弦波，产生的三道二次场，比较图7(a)可以看出其谐波畸变有明显的减弱。

    4  结  语

    本文是设计了基于FPGA的SPWM可变频系统，最后把系统成功应用到电法仪的发射模块中。经验证，该系统稳定可靠，比原有的PWM控制有较大的改善。另外，系统可以根据需要在线修改发射频率、死区时间等的值，系统更人性化。系统稍加修改，还可应用到电机驱动或变频电源中。