基于FPGA的SPWM变频系统设计

0 引 言

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’。