三相ＳＰＷＭ控制器的研究設(shè)計(jì)

葉云云

摘要 對(duì)SPWM的原理及其控制集成電路的各個(gè)模塊進(jìn)行分析和研究，給出單芯片三相SPWM恒壓頻比變頻器的實(shí)現(xiàn)。最后利用Altera的QuartusⅡ軟件對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯和仿真，并給出仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞 脈寬調(diào)制；SPWM；FPGA

中圖分類號(hào)：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2009）09-0070-02

Design and Studied of 3-phase Sinusoidal PWM Controllor//Ye Yunyun

Abstract This paper mainly deals with the realization of the 3-phase sinusoidal PWM (SPWM) controller with constant U/f ratio is proposed. Simulation results are given at the end of this article to verify the constructed controller.

Key words PWM；SPWM；FPGA

Authors address Qingdao University of Science & Technology, Qingdao, Shandong 266061

正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）法是從三相交流電動(dòng)機(jī)供電電源的角度出發(fā)的一種控制方法。用硬件電路實(shí)現(xiàn)SPWM法，通常是用一個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波（稱為調(diào)制波）信號(hào)，再用一個(gè)三角波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值不變的三角波（稱為載波）信號(hào)，將它們進(jìn)行比較，由兩者的交點(diǎn)來確定逆變器開關(guān)的轉(zhuǎn)換[1]。

1 三相SPWM控制器設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析如圖1所示，該系統(tǒng)可以分為5個(gè)部分：分頻器單元、載波比選擇單元、譯碼器單元、存儲(chǔ)器單元和死區(qū)調(diào)節(jié)單元。

1.2 SPWM模塊化研究前面介紹了SPWM系統(tǒng)的總體框圖，下面對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊進(jìn)行詳細(xì)地說明。

1）分頻器模塊（圖2）。由于整個(gè)輸出頻率范圍分為8個(gè)載波比區(qū)段，在每個(gè)載波比區(qū)段，需要知道等脈寬載波的頻率，以便利用它來控制相應(yīng)計(jì)數(shù)器，并得到相應(yīng)的δ值，從而得到需要的調(diào)制波形[2]。

2）載波比選擇模塊（圖3）。分頻器的輸出時(shí)鐘端40腳將作為參考頻率，通過統(tǒng)計(jì)40腳的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)clkrc的脈沖數(shù)，根據(jù)clkrc脈沖數(shù)量利用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）判斷出?所在的載波區(qū)段。為了方便起見，只需統(tǒng)計(jì)clock_40一個(gè)周期內(nèi)高電平期間clkrc脈沖個(gè)數(shù)。

3）譯碼器模塊和存儲(chǔ)模塊（圖4）。

4）死區(qū)模塊。用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件并不能達(dá)到理想狀態(tài)，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)會(huì)有個(gè)延遲。為了避免電路在任意逆變器階段的不足，死區(qū)時(shí)間是必須要考慮的因素。死區(qū)時(shí)間由死區(qū)模塊來完成。也就是說，死區(qū)調(diào)節(jié)單元對(duì)來自譯碼器的三相調(diào)制信號(hào)（PWMA、PWMB、PWMC）進(jìn)行調(diào)整，把每一相信號(hào)分為2部分輸出，一部分是上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一部分是下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這2部分信號(hào)相互錯(cuò)開一個(gè)死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間的大小根據(jù)具體功率器件決定，然后改變死區(qū)調(diào)節(jié)單元的時(shí)鐘頻率，就可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)調(diào)節(jié)。

2 FPGA實(shí)現(xiàn)SPWM仿真分析

選擇QuartusⅡ軟件[Processing]/[Start Simulation]命令或者單擊工具欄的仿真開始按鈕運(yùn)行仿真，以觀察設(shè)計(jì)的時(shí)序是否滿足要求。經(jīng)檢查，仿真波形基本上滿足要求（圖5）。

圖5為考慮芯片布局布線參數(shù)后的時(shí)序仿真結(jié)果。圖中各個(gè)量分別代表時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、六個(gè)全控橋臂信號(hào)，從圖中可以看出三相橋臂互差120°。仿真時(shí)鐘頻率設(shè)為20 MHz，開關(guān)頻率設(shè)為20 kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)為0.5 μs，M設(shè)為0.999。通過仿真可以看出該系統(tǒng)能夠得到更寬的頻率和電壓調(diào)節(jié)范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]吳守箴.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)[M].第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:101-103

[2]羅宏浩,劉少克.新型SPWM調(diào)制技術(shù)[J].微特電機(jī),2004(3):55-66