基于Matlab和FPGA的SPWM波形的實(shí)現(xiàn)＊

王 衡 李 縱 李文彬 譚 巍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)就是通過(guò)不斷改變波形的占空比，使脈沖的寬度按照正弦波規(guī)律變化的一種控制算法[1]，廣泛應(yīng)用于變頻器、逆變器及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中[2]。

目前實(shí)現(xiàn)SPWM波形的方法主要有三種：1）使用DSP（如TI公司的TMS320F240、TMS320F2812等），該方法只能產(chǎn)生6路或12路SPWM波形，由于運(yùn)用的是規(guī)則采樣法來(lái)產(chǎn)生SPWM波形，波形精度不如自然采樣法，不適合用于諧波要求較高的領(lǐng)域[3～4]；2）使用專(zhuān)用芯片，該方法利用專(zhuān)用DDS芯片產(chǎn)生SPWM波形，成本和復(fù)雜度較高[5～6]；3）使用可編程邏輯器件（如FPGA），該方法原理與模擬電路類(lèi)似，只不過(guò)采用的是數(shù)字電路的方式，在FPGA中實(shí)現(xiàn)SPWM控制算法[7～8]。該方法可實(shí)現(xiàn)多路波形輸出，靈活性和精度比DSP方式高，缺點(diǎn)是占用FPGA資源較多。

本文在上述第三種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將SPWM控制算法的運(yùn)算過(guò)程轉(zhuǎn)移到Matlab中完成，F(xiàn)PGA只負(fù)責(zé)將Matlab的運(yùn)算結(jié)果輸出，極大地簡(jiǎn)化了FPGA的設(shè)計(jì)工作，節(jié)省了邏輯資源。

2 SPWM波形實(shí)現(xiàn)原理

SPWM的基本原理如圖1所示，由正弦波和三角波比較得出，當(dāng)正弦波幅值大于三角波幅值時(shí)，SPWM波形為高電平，反之為低電平[9]。定義正弦波與三角波的幅值之比為調(diào)制度，三角波與正弦波的頻率之比為載波比，當(dāng)載波比為整數(shù)時(shí)，SPWM 波 形 將滿足周期性，周期與正弦波周期相同。本文所討論的實(shí)現(xiàn)方法僅限于周期性的SPWM波形，即載波比為整數(shù)的情況。

本文實(shí)現(xiàn)SPWM波形的基本思路是先由Matlab產(chǎn)生一個(gè)周期的SPWM離散數(shù)據(jù)，再由FPGA進(jìn)行周期循環(huán)計(jì)數(shù)輸出結(jié)果。以產(chǎn)生一組單相互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)帶死區(qū)的SPWM波形為例，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示，分兩個(gè)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：1）Matlab建模。先建立連續(xù)時(shí)間信號(hào)的正弦波和三角波模型，持續(xù)時(shí)間設(shè)為一個(gè)正弦波周期（假設(shè)載波比為N，則該時(shí)間段內(nèi)三角波的個(gè)數(shù)為N），然后分別對(duì)信號(hào)采樣，將其轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，經(jīng)過(guò)比較器后，變成邏輯電平信號(hào)，將其中一路反相，再分別送入死區(qū)發(fā)生器，輸出即為一個(gè)周期的SPWM離散數(shù)據(jù)。2）FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA根據(jù)Matlab生成的數(shù)據(jù)，以循環(huán)計(jì)數(shù)的方式周期性地輸出這些數(shù)據(jù)即可生成SPWM波形。需要指出的是，Matlab中的采樣頻率fs與FPGA中的計(jì)數(shù)觸發(fā)時(shí)鐘頻率fs必須一致。

圖1 SPWM基本原理

圖2 SPWM波形實(shí)現(xiàn)方法

3 SPWM波形的實(shí)現(xiàn)

3.1 Matlab設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2搭建SPWM波形的SIMULINK模型，其中三角波由Repeating Sequence模塊產(chǎn)生，死區(qū)發(fā)生器由Discrete On／Off Delay模塊完成，將兩路SPWM信號(hào)輸出到Matlab工作空間，結(jié)果如圖3所示。設(shè)置正弦波的頻率為50Hz，三角波的頻率為1kHz，調(diào)制度為0.9，死區(qū)時(shí)間為5μs，仿真模式設(shè)置為FixedStepDiscrete方式，采樣率設(shè)置為1MHz，仿真時(shí)間設(shè)置為一個(gè)正弦波周期，即0.02s，則一個(gè)周期有20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖3 SPWM波形的SIMULINK模型

SPWM波形的Matlab仿真結(jié)果如圖4所示。

對(duì)輸出到Matlab工作空間的SPWM1和SPWM2兩路信號(hào)進(jìn)行整理，可得一個(gè)周期內(nèi)的SPWM波形的開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)表，兩路SPWM波形的開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

圖4 SPWM波形仿真結(jié)果

表1 SPWM1開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)

表2 SPWM2開(kāi)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)

3.2 FPGA設(shè)計(jì)

通過(guò)Matlab的設(shè)計(jì)獲得了一個(gè)周期內(nèi)的SPWM波形數(shù)據(jù)，因此FPGA只需要周期性地輸出這些結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)SPWM波形。按照循環(huán)計(jì)數(shù)的方式，計(jì)數(shù)周期為20000，從0計(jì)數(shù)到19999，然后再?gòu)?重新計(jì)數(shù)，周期性地輸出20000個(gè)邏輯電平值。根據(jù)表1和表2的結(jié)果，在相應(yīng)開(kāi)關(guān)點(diǎn)處進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)。由于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘必須與Matlab仿真的采樣率相同，因此需要將晶振時(shí)鐘分頻到1MHz。

下面給出SPWM1波形輸出的部分程序：

if clk’event and clk＝’1’then

if n＝19999then

n：＝0；

else

n：＝n＋1；

end if；

if n＞＝0and n＜＝474then

qout＜＝’0’；

elsif n＞474and n＜＝1075then

qout＜＝’1’；

………………

elsif n＞19539and n＜＝19999then

qout＜＝’1’；

end if；

end if；

同理可以實(shí)現(xiàn)SPWM2波形輸出。FPGA仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)果與圖4所示的Matlab仿真結(jié)果相一致。

圖5 FPGA仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種聯(lián)合Matlab和FPGA產(chǎn)生SPWM波形的方案，并以單相SPWM為例給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。該方案的創(chuàng)新點(diǎn)在于將原本由FPGA完成的算法運(yùn)算過(guò)程轉(zhuǎn)移到Matlab中完成，F(xiàn)PGA只是作為輔助設(shè)計(jì)工具將結(jié)果輸出，這樣可以極大地降低FPGA的設(shè)計(jì)難度，簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本文的設(shè)計(jì)方法很容易擴(kuò)展到三相SPWM及載波水平移相的SPWM系統(tǒng)中，只需要在Matlab中修改相應(yīng)的SIMULINK模型即可，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]陳道煉.DC－AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003：45－46.

[2]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].第四版.北京：科學(xué)出版社，2012：80－84.

[3]姜彬，張浩然，郭啟軍.基于DSP的SPWM不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（4）：211－214.

[4]欒天，高立潁，金志輝.基于DSP的三相SPWM波形設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2010，27（5）：38－41.

[5]甘敬松，范蟠果.一種基于DDS的SPWM波形產(chǎn)生新算法研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42（1）：72－74.

[6]周根榮，姜平，李俊紅.基于DDS的SPWM自然采樣法硬件實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2007，41（6）：80－82.

[7]丁衛(wèi)東，郭前崗，周西峰.一種基于FPGA的SPWM波的實(shí)時(shí)生成方法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，41（2）：211－214.

[8]黃永慶，甘金明.基于CPLD／FPGA的三相SPWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].梧州學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（3）：36－41.

[9]劉鳳君.正弦波逆變器[M].北京：科學(xué)出版社，2002：101－103.

[10]劉鳳君.環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：21－26.