一種基于FPGA的PWM脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

俞晨光，席自強(qiáng)，李開成，周世平

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）是電力電子技術(shù)中的一個(gè)很重要的組成部分，對提高電力電子裝置性能起到關(guān)鍵性的作用。應(yīng)用于級聯(lián)H橋型結(jié)構(gòu)的變換器的眾多開關(guān)調(diào)制策略中，載波相移正弦脈寬調(diào)制（CPS－SPWM）技術(shù)由于具有等效開關(guān)頻率高、輸出電壓諧波含量小、信號傳輸帶寬以及控制方法簡單等而被廣泛應(yīng)用。針對SPWM的實(shí)現(xiàn)方法主要有自然采樣法和規(guī)則采樣法，其中規(guī)則采樣法在數(shù)字控制中應(yīng)用較多，實(shí)現(xiàn)簡單。規(guī)則采樣法又分為對稱和不對稱規(guī)則采樣，文獻(xiàn)［1］通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：不對稱規(guī)則采樣法的CPS－SPWM 脈沖生成方法，相對對稱規(guī)則采樣法裝置的輸出電壓的基波分量延時(shí)縮小一半，幅值有所提高，波形的不對稱性也有所改善，并且沒有增加開關(guān)的頻率和計(jì)算工作量。

隨著多電平技術(shù)的發(fā)展，對脈寬調(diào)制用的控制芯片提出了更高的要求，而市場上已有一些專用的控制芯片要么頻率難以滿足IGBT等的需求，要么能提供的PWM發(fā)生器有限。對于多電平變換器，這些芯片會造成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以完成同相功率器件的同步觸發(fā)。現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）的出現(xiàn)為PWM 的實(shí)現(xiàn)提供了更靈活的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［2］提出用DSP和FPGA聯(lián)合來生成24路PWM波形發(fā)生器，理論基礎(chǔ)是載波相移SPWM技術(shù)，本文在其基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了不對稱規(guī)則采樣的脈沖生成時(shí)序，并在FPGA中仿真實(shí)現(xiàn)。

1 不對稱規(guī)則采樣生成SPWM算法

不對稱規(guī)則采樣法與對稱規(guī)則采樣法的區(qū)別主要在于，后者是在每個(gè)三角波的谷值時(shí)候?qū)φ艺{(diào)制波數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，一個(gè)三角載波周期采樣一次，而不對稱規(guī)則采樣是在三角波的谷值和峰值處都進(jìn)行采樣，即每個(gè)三角載波周期采樣兩次，相比較而言生成的階梯波與正弦調(diào)制波的逼近程度更佳，而且并沒有加開關(guān)的頻率和計(jì)算工作量。不對稱規(guī)則采樣法生成SPWM 波見圖1［3］。

圖1 不對稱規(guī)則采樣法原理圖

圖1 中Tc為一個(gè)三角載波的周期，ur和uc分別為正弦調(diào)制波和三角載波，在tC三角波峰值時(shí)刻對正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣得C點(diǎn)，過C點(diǎn)做一水平直線與三角載波交于A點(diǎn)得到時(shí)刻tA，在tD三角波谷值時(shí)刻再對正弦調(diào)制波進(jìn)行采樣得D點(diǎn)，過D點(diǎn)做一水平直線與三角載波交于B點(diǎn)得到時(shí)刻tB。在一個(gè)三角載波周期內(nèi)作比較，當(dāng)ur大于uc時(shí)，輸出高電平；當(dāng)ur小于uc時(shí)，輸出的則是低電平。由圖1三角形相似可得以下關(guān)系式：

生成的SPWM波脈沖寬度

2 級聯(lián)裝置的SPWM脈沖生成方式

圖2為一個(gè)單相級聯(lián)H橋型STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)SPWM脈沖生成的三相對稱性，現(xiàn)以一相為例來分析，為了分析方便，取級聯(lián)單元數(shù)N＝3，即為一個(gè)單相的七電平STATCOM。圖中所示的 Dx1、Dx2、Dx3、Dx4（x ＝1，2，3）分別為各單元左橋臂上、下和右橋臂上、下IGBT開關(guān)器件；u1、u2、u3為各單元交流側(cè)的輸出電壓；u為裝置輸出總電壓；Udc為各單元直流側(cè)電壓［4］。

圖2 級聯(lián)H橋STATCOM單相主電路結(jié)構(gòu)圖

裝置采用基于CPS－SPWM的單極性開關(guān)調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)方法為不對稱規(guī)則采樣法。以圖2為仿真模型得到的CPS－SPWM法的仿真波形見圖3，圖中三個(gè)頻率為500Hz的三角載波以2π／3的相位差互相錯(cuò)開，由于正弦調(diào)制波頻率為50Hz，從圖中也可以看出一個(gè)調(diào)制波周期中共有10個(gè)三角載波與之比較產(chǎn)生PWM 波［5－6］，比較原則和圖1所示的不對稱規(guī)則采樣法一致。

圖3 SPWM脈沖生成方式圖

3 基于FPGA的不對稱規(guī)則采樣PWM脈沖發(fā)生器

3.1 PWM脈沖發(fā)生器總體構(gòu)成

本文是以一個(gè)簡化的單相三鏈節(jié)STATCOM為例，故該P(yáng)WM波形發(fā)生器由6個(gè)兩路PWM通過相移構(gòu)成。在這個(gè)DSP＋FPGA的構(gòu)架中，DSP的作用是采樣，然后將數(shù)據(jù)和地址通過外設(shè)接口XINTF傳輸至FPGA的I／O口，并且為FPGA提供時(shí)鐘輸入，使得DSP和FPGA的時(shí)鐘能夠得到同步。

圖4為基于FPGA的PWM波形發(fā)生器的系統(tǒng)框圖。從圖中可知，該發(fā)生器的主要構(gòu)成部分有數(shù)據(jù)鎖存器，相移載波發(fā)生器、比較產(chǎn)生PWM波形的PWM模塊和最后的死區(qū)設(shè)定。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和仿真都是在軟件平臺QuartusⅡ9.1上進(jìn)行的。

圖4 基于FPGA的PWM波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖

3.2 相移載波發(fā)生器模塊

從圖4可以看出相移載波發(fā)生模塊接收來自DSP的時(shí)鐘輸入，并向DSP的CAP口發(fā)送低電平開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣［7］。從模塊中輸出三角載波與正弦調(diào)制波進(jìn)行比較輸出PWM波形。圖5為相移載波發(fā)生器的外部原理圖。

圖5 相移載波發(fā)生器模塊

對于單相七電平STATCOM，相移載波發(fā)生器共需要發(fā)出6組對應(yīng)的6個(gè)橋臂，并且發(fā)出的PWM波形對應(yīng)的是左橋臂的Dx1管和右橋臂的Dx4管（x＝1，2，3），通過死區(qū)模塊最后生成另外兩個(gè)開關(guān)管的PWM波形。由于采用載波相移正弦脈寬調(diào)制方式，因此這6組三角載波有三組是以2π／3的相位錯(cuò)開，與正弦調(diào)制波比較后輸出的是左橋臂的Dx1（x＝1，2，3）管的PWM波形，而另外三組則是與對應(yīng)相位相反的三角載波，與同一個(gè)正弦調(diào)制波比較后輸出右橋臂的Dx4（x＝1，2，3）管的PWM波形。

圖5中out1［11..0］～out3＿n［11..0］為輸出的三角載波數(shù)據(jù)，outcap為輸出給DSP的CAP口低電平開始采樣使能信號，outr為輸出到數(shù)據(jù)鎖存器的正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)更新信號，采樣時(shí)序符合圖1中的不對稱規(guī)則采樣，clk為DSP輸入的時(shí)鐘。

3.3 數(shù)據(jù)鎖存器模塊

圖6所示為數(shù)據(jù)鎖存器模塊，inw為DSP發(fā)送過來的寫數(shù)據(jù)信號，當(dāng)這個(gè)信號為低電平的時(shí)候，鎖存器模塊就寫入數(shù)據(jù)然后鎖存住，當(dāng)載波發(fā)生器模塊向其發(fā)送inr的數(shù)據(jù)更新信號時(shí)，鎖存器模塊便根據(jù)DSP發(fā)送過來的地址in2［3..0］向最后比較輸出PWM波形的PWM模塊中對應(yīng)的鏈節(jié)發(fā)送調(diào)制波數(shù)據(jù)out1、out2、out3。

圖6 數(shù)據(jù)鎖存器

3.4 PWM比較輸出模塊

圖7 所示為PWM比較輸出模塊圖中i n1、i n2、i n3為對應(yīng)左橋臂的Dx1管（x＝1，2，3）的三角載波數(shù)據(jù)輸入，與輸入的正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)sin1、sin2、sin3比較，當(dāng)inx的幅值小于sinx（x＝1，2，3）的值時(shí)，輸出高電平，否則輸出低電平；in1＿n、in2＿n、in3＿n為對應(yīng)右橋臂的Dx4管（x＝1，2，3）的三角載波輸入，與輸入的正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)sin1、sin2、sin3比較，當(dāng)inx＿n的幅值與sinx的幅值之和大于N（N為三角載波計(jì)數(shù)最大值）時(shí)，輸出高電平，否則輸出低電平。out1～6為級聯(lián)H橋6個(gè)橋臂的PWM脈沖輸出。

圖7 PWM輸出模塊

3.5 死區(qū)發(fā)生器模塊

圖8 所示為死區(qū)發(fā)生模塊，in1～in6為PWM比較輸出模塊輸出的6個(gè)橋臂PWM脈沖，經(jīng)過死區(qū)發(fā)生模塊最后輸出的out1＿y～out3＿y（y＝1，2，3）為對應(yīng)三個(gè)鏈節(jié)每個(gè)H橋四個(gè)開關(guān)管的PWM脈沖。

圖8 死區(qū)發(fā)生模塊

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9、圖10為在QuartusII軟件上仿真后的一個(gè)鏈節(jié)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)波形和對應(yīng)死區(qū)設(shè)置，Link1＿1和Link1＿2為圖2中一個(gè)H橋左橋臂上下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，Link1＿3和Link1＿4為對應(yīng)右橋臂的上下開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，死區(qū)時(shí)間設(shè)置約為2μs。一個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖11和12。

圖9 一個(gè)鏈節(jié)的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)波形

圖10 PWM脈沖死區(qū)設(shè)置

本文的實(shí)驗(yàn)是在仿真可行的條件下先進(jìn)行單鏈節(jié)STATCOM的實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行整個(gè)裝置的調(diào)試。圖11、圖12為圖2中單相3鏈節(jié)STATCOM的一個(gè)鏈節(jié)的IPM模塊中開關(guān)管的橋臂實(shí)驗(yàn)，分別對應(yīng)的是左橋臂上下開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)波形和對應(yīng)的死區(qū)時(shí)間設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置Udc為150V，死區(qū)時(shí)間調(diào)整為4.5μs，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該P(yáng)WM發(fā)生器的設(shè)計(jì)是可行的。

圖11 PWM驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)驗(yàn)波形

圖12 死區(qū)設(shè)置實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

一些常用的芯片中PWM波輸出通道不能滿足如多電平變流器的需要，采用FPGA和DSP的構(gòu)架輸出PWM脈沖簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，并且便于應(yīng)用在其他裝置如級聯(lián)多電平有源電力濾波器、變頻器等。通過FPGA實(shí)現(xiàn)不對稱規(guī)則采樣法，將該P(yáng)WM實(shí)現(xiàn)方法在多電平的變流器中實(shí)現(xiàn)，便于對輸出脈沖波形的優(yōu)化，也為今后對該方式的改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

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