一种新型数字SPWM信号的设计与实现

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

0 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，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(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TMS320 F2812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；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．Tiemcy，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(DDS)。DDS技术是一种直接数字合成方法，不需要振荡和锁相环节，直接将波形函数进行离散化，以时间为地址，幅度为量化数据，依次存入波形存储器，使连续的数据流通过数／模转换器产生需要的波形。本文利用FPGA内部的DDS模块产生离散化的正弦波和三角波，进而产生数字的SPWM波形，再经过死区产生、脉冲消去处理后就得到了可以驱动后级功率放大管的驱动信号，利用该方法可以灵活的产生所需的任意调制比和载波比的SPWM波形，并且可以使负载上谐波含量大大减小，有效的保证了整个系统的稳定性。

1 SPWM波形的FPGA实现
根据SPWM自然采样法的原理，产生适合逆变器功率放大管所需的SPWM信号的电路主要包括正弦波产生模块、三角波产生模块、比较和死区产生模块和脉冲消去模块，它们之间的关系如图1所示。

正弦波产生模块根据主控制器传来的频率控制字从ROM表中读出相应的正弦波的离散值，同样，三角波产生模块根据频率控制字从存储三角波的ROM表中读出三角波的离散值，比较器和死区产生模块根据传来的正弦波和三角波的离散值进行比较，直接进行比较产生上桥臂驱动信号，将正弦波离散值或三角波离散值加上一个特定的值或减去一个特定值再和三角波进行比较，产生上桥臂对应的下桥臂驱动信号，这时产生的信号已经是带死区的SPWM信号，再经过脉冲消去模块，消去功率器件来不及反应的窄的驱动信号，最后就可以得到直接驱动逆变器的一对SPWM信号。
1．1 波形产生模块
DDS技术是一种全数字的频率合成技术，是将已知的信号经过取样、量化，形成可供查询的数据表存于数据ROM中，通过改变频率控制字来改变输出所需频率的一种技术。如图2所示，DDS主要由频率控制字、累加器、相位寄存器、时钟源、加法器、相位控制字、波形查找表、DAC和LPF等模块组成。但因本设计不需要模拟信号，直接使用其中的数字信号，故不需要DAC和LPF模块，全部在FPGA内部数字化实现。数字三角波的产生和数字正弦波的产生一样，惟一不同就是在波形表中用量化后的三角波数据代替正弦波数据。

DDS的FPGA实现非常简单，波形存储器直接调用芯片的ROM模块，先把正弦信号量化，为了精确，这里采用一个周期量化2 048个点，用Madab编写正弦波和三角波的量化程序，按照FPGA的mif文件编写格式，处理后再复制到记事本中加上表头和结尾，保存为mif格式后，在ROM模块中初始化指向这个文件即可。从波形查找表中读出的数字正弦值信号就可以作为比较器和死区产生模块的输入了。数字三角波模块和正弦波模块生成的方法相同，不再赘述。