應用於嵌入式控制系統的多模式spwm信號發生器及其信號發生方法
2023-06-08 17:02:21 3
應用於嵌入式控制系統的多模式spwm信號發生器及其信號發生方法
【專利摘要】應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器及其信號發生方法，屬於SPWM信號發生【技術領域】。本發明為了解決現有SPWM信號發生器採用軟體實現，實時性差、可靠性低的問題。信號發生器包括全局時鐘、內置ROM、正弦量發生器、移相器、定時器、三角量發生器、調製器和SPWM信號輸出模塊；信號發生方法包括提供基準工作時鐘、根據基準工作時鐘輸出正弦量的數字值、傳送數字值、移相處理獲得處理後的正弦量信號、根據基準工作時鐘產生觸發信號、根據觸發信號產生三角量、調製生成SPWM信號、輸出並接收SPWM信號的步驟。本發明應用於嵌入式控制系統中。
【專利說明】應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器及其信號發生方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器及其信號發生方法，屬於SPWM信號發生【技術領域】。
【背景技術】
[0002]SPWM信號在運動控制領域應用非常廣泛，特別是在電機拖動領域中，SPWM信號發生器是必須具備的條件之一。當前實現SPWM信號的主要技術是採用DDS模塊產生SPWM信號，或者使用微控制器模擬SPWM信號的輸出。前者需要專門的模塊電路，其成本高，可靠性一般，不利用於嵌入式系統的MCU開發；而對於後者，由於一般的微控制器或DSP沒有專門的SPWM生成模塊，因此SPWM生成的功能一般需要採用軟體實現，這將浪費大量資源，且耗時耗電，實時性差，可靠性低。至於採用模擬器件調製產生SPWM信號的方案就更是在系統複雜度和電磁兼容性方面顯出了劣勢。因而基於FPGA的SPWM內嵌模塊表現出了巨大的優勢，而Altera的Mega庫中並不提供這一模塊，就為系統開發帶來了難度。
【發明內容】
[0003]本發明目的是為了解決現有SPWM信號發生器採用軟體實現，實時性差、可靠性低的問題，提供了一種應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器及其信號發生方法。
[0004]本發明所述一種應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器,它包括:
[0005]用於為內置ROM、定時器、移相器、調製器和SPWM信號輸出模塊提供基準工作時鐘的全局時鐘；
[0006]用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘對正弦量發生器輸出正弦量的數字值的內置ROM;
[0007]用於從內置ROM中取出所述正弦量的數字值並送給移相器的正弦量發生器；
[0008]用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘將處理後的正弦量信號送給調製器的移相器；
[0009]用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘對三角波發生器進行觸發控制的定時器；
[0010]用於根據定時器的觸發信號產生三角量，並將三角量送給調製器的三角量發生器；
[0011]用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的調製器；
[0012]用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的SPWM信號輸出模塊。
[0013]—種應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生方法,它包括:
[0014]用於提供基準工作時鐘的步驟；[0015]用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘輸出正弦量的數字值的步驟；
[0016]用於取出所述正弦量的數字值並傳送的步驟；
[0017]用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘傳送處理後的正弦量信號的步驟；
[0018]用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘產生觸發信號的步驟；
[0019]用於根據觸發信號產生三角量，並傳送三角量的步驟；
[0020]用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的步驟；
[0021]用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的步驟。
[0022]本發明的優點:本發明的信號發生器或信號發生方法使用可編程邏輯器件在一片FPGA中集成，可集成任意個PWM模塊，並且其模式可根據需要設置，成本低，具有較強的設計優勢，它使用於多電機，尤其在多微特電機的控制中，用於實現速度或輸出力矩的控制。
[0023]本發明為基於verilog HDL語言實現的模塊，能夠內嵌在FPGA或CPLD等可編程邏輯器件中使用中，可以自主設定基波頻率和調製頻率，並提供多路輸出，支持多相控制，以為多相電機控制提供支持，既可以單獨作為一個功能模塊使用，也可以作為一個嵌入式系統的子模塊使用，能夠同其他嵌入式模塊有機整合，針對不同的應用環境，實現特定的功能，它提供了高性能的外設接口控制。
[0024]本發明嵌入在FPGA或CPLD中，形成模塊化設計，幾乎不佔用處理器資源，並且速度快、運行可靠，實時性好；它可根據實際需要靈活定製，對於不同的控制設備進行不同的功能和資源配置；可與其他控制模塊高度整合，減少資源佔用，提高系統效率；可有效降低成本，縮短開發周期，更新升級更加便捷。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明所述多模式SPWM信號發生器的原理框圖；
[0026]圖2是本發明所述多模式SPWM信號發生器採用Quartus II仿真器進行仿真輸出的單路輸出SPWM信號圖；
[0027]圖3是本發明所述多模式SPWM信號發生器採用Quartus II仿真器進行仿真輸出的三路相位互差120度的三相SPWM波形圖。
【具體實施方式】
[0028]【具體實施方式】一:下面結合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式所述應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器，它包括:
[0029]用於為內置ROM、定時器、移相器、調製器和SPWM信號輸出模塊提供基準工作時鐘的全局時鐘；
[0030]用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘對正弦量發生器輸出正弦量的數字值的內置ROM;
[0031]用於從內置ROM中取出所述正弦量的數字值並送給移相器的正弦量發生器；
[0032]用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘將處理後的正弦量信號送給調製器的移相器；
[0033]用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘對三角波發生器進行觸發控制的定時器；
[0034]用於根據定時器的觸發信號產生三角量，並將三角量送給調製器的三角量發生器；
[0035]用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的調製器；
[0036]用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的SPWM信號輸出模塊。
[0037]本實施方式中，所有的組件都是在全局時鐘的控制下完成各自功能的。內置ROM在初始化後，預存有模塊所需的正弦量的數字值，其字長決定了正弦量的數字精度。調製器是本實施方式中的核心組件，它根據三角量的值將指定字長的正弦量調製成單路高低電平變化的SPWMfg號。為提聞其驅動能力，可在片外放置驅動晶片。
[0038]本實施方式所述SPWM信號發生器有多種工作模式，既可產生單路SPWM控制信號，亦可產生互差固定相位的多路SPWM波形，可為雙相、三相、四相、六相電機控制提供支持。其基波頻率和調製波頻率均是可調的，可由用戶根據應用條件進行定製，針對不同設備和不同應用場合，定製不同的子模塊。
[0039]本實施方式除能產生SPWM信號外，亦能產生規定頻率和佔空比的PWM波形，可供不同用途的直流電機使用。
[0040]SPWM信號發生器能夠在高速高精度嵌入式系統中應用。對於單位延遲8ns的FPGA，其全局時鐘可以達到50MHz以上，有效載波頻率可達5MHz ;三角量和正弦量的存儲字長也可定製，可滿足不同系統的精度要求。該信號發生器形成為固化的模塊可以完全嵌入在基於FPGA的SoC中，由此可極大地降低系統開發成本，提高系統工作的可靠性。
[0041]SPWM信號發生器的基波頻率和載波頻率是可調的，通過改變內置ROM的深度和數據表，即硬調，以及正弦量發生器的採樣率，即軟調可以調節SPWM信號的基波頻率；通過更改定時器設置，即硬調，和三角量發生器的採樣率，即軟調，可以調節SPWM的載波頻率。根據不同的需要可以採用硬調和軟調兩種調節方式，從而可實現模塊的靈活配置，使得其具有非常廣泛的應用領域。
[0042]SPWM信號發生器有多種工作模式，可提供多路輸出，能夠根據輸出的相數確定基波之間的相移，從而為兩相電機、三相電機、六相電機等電機的驅動提供支持。此外，SPWM信號發生器不僅僅能產生SPWM信號，還可以生成不同應用場合的PWM信號，從而支持直流電機、步進電機等的運動控制。
[0043]通過Quartus II仿真器和Modelsim仿真器對本發明進行仿真測試,測試結果表明，SPWM信號發生器能夠產生廣泛頻域內不同基頻和調製頻率的SPWM波形信號，能夠產生兩相、三相、六相等多種模式下的多路調製波。在生成的SPWM調製波驅動下，電機能夠平穩、穩定運行。仿真獲得的單路輸出的SPWM信號如圖2所示。
[0044]圖3是仿真獲得的三路相位互差120度的三相SPWM波形圖，其可用於三相電機的控制。圖3是三相調製波輸出。
[0045]圖2和圖3所示仿真結果展示的是當寄存器字長為6位時產生的結果，精度較低，僅僅作為功能示意圖。並且Quartus II提供的仿真器對仿真時間有限制，長字長寄存器仿真時可能不會展示全面。當該模塊真正投入運行時，可根據實際需要調整寄存器的字長和調製波、基波的頻率。在硬體調試中應用16位字長寄存器即可達到非常穩定的效果。
[0046]【具體實施方式】二:下面結合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式所述應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生方法，它包括:
[0047]用於提供基準工作時鐘的步驟；
[0048]用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘輸出正弦量的數字值的步驟；
[0049]用於取出所述正弦量的數字值並傳送的步驟；
[0050]用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘傳送處理後的正弦量信號的步驟；
[0051]用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘產生觸發信號的步驟；
[0052]用於根據觸發信號產生三角量，並傳送三角量的步驟；
[0053]用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的步驟；
[0054]用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的步驟。
[0055]本實施方式所述SPWM信號發生方法有多種工作模式，既可產生單路SPWM控制信號，亦可產生互差固定相位的多路SPWM波形，可為雙相、三相、四相、六相電機控制提供支持。其基波頻率和調製波頻率均是可調的，可由用戶根據應用條件進行定製，針對不同設備和不同應用場合，定製不同的子模塊。
[0056]本實施方式除能產生SPWM信號外，亦能產生規定頻率和佔空比的PWM波形，可供不同用途的直流電機使用。
[0057]SPWM信號發生方法能夠在高速高精度嵌入式系統中應用。對於單位延遲8ns的FPGA，其全局時鐘可以達到50MHz以上，有效載波頻率可達5MHz ;三角量和正弦量的存儲字長也可定製，可滿足不同系統的精度要求。該信號發生方法形成為固化的模塊可以完全嵌入在基於FPGA的SoC中，由此可極大地降低系統開發成本，提高系統工作的可靠性。
[0058]SPWM信號發生方法有多種工作模式，可提供多路輸出，能夠根據輸出的相數確定基波之間的相移，從而為兩相電機、三相電機、六相電機等電機的驅動提供支持。此外，SPWM信號發生方法不僅僅能產生SPWM信號,還可以生成不同應用場合的PWM信號,從而支持直流電機、步進電機等的運動控制。
[0059]通過Quartus II仿真器和Modelsim仿真器對本發明進行仿真測試,測試結果表明，SPWM信號發生方法能夠產生廣泛頻域內不同基頻和調製頻率的SPWM波形信號，能夠產生兩相、三相、六相等多種模式下的多路調製波。在生成的SPWM調製波驅動下，電機能夠平穩、穩定運行。仿真獲得的單路輸出的SPWM信號如圖2所示。
[0060]圖3是仿真獲得的三路相位互差120度的三相SPWM波形圖，其可用於三相電機的控制。
[0061]圖2和圖3所示仿真結果展示的是當寄存器字長為6位時產生的結果，精度較低，僅僅作為功能示意圖。並且Quartus II提供的仿真器對仿真時間有限制，長字長寄存器仿真時可能不會展示全面。當該模塊真正投入運行時，可根據實際需要調整寄存器的字長和調製波、基波的頻率。在硬體調試中應用16位字長寄存器即可達到非常穩定的效果。
【權利要求】
1.一種應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生器,其特徵在於,它包括: 用於為內置ROM、定時器、移相器、調製器和SPWM信號輸出模塊提供基準工作時鐘的全局時鐘； 用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘對正弦量發生器輸出正弦量的數字值的內置ROM; 用於從內置ROM中取出所述正弦量的數字值並送給移相器的正弦量發生器； 用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘將處理後的正弦量信號送給調製器的移相器； 用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘對三角波發生器進行觸發控制的定時器； 用於根據定時器的觸發信號產生三角量，並將三角量送給調製器的三角量發生器； 用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的調製器； 用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的SPWM信號輸出模塊。
2.一種應用於嵌入式控制系統的多模式SPWM信號發生方法，其特徵在於，它包括: 用於提供基準工作時鐘的步驟； 用於預存正弦量的數字值，同時根據基準工作時鐘輸出正弦量的數字值的步驟； 用於取出所述正弦量的數字值並傳送的步驟； 用於根據初始化時預設的相數，確定輸出相應路數的正弦量信號，再根據正弦量的數字值對相應路數的正弦量信號進行移相處理獲得處理後的正弦量信號，同時根據基準工作時鐘傳送處理後的正弦量信號的步驟； 用於根據預設時間值產生觸發信號，並根據基準工作時鐘產生觸發信號的步驟； 用於根據觸發信號產生三角量，並傳送三角量的步驟； 用於根據所述三角量對所述處理後的正弦量信號進行調製，調製成單路高低電平變化的SPWM信號，並根據基準工作時鐘輸出SPWM信號的步驟； 用於根據基準工作時鐘接收SPWM信號的步驟。
【文檔編號】G05B19/418GK103728952SQ201410010938
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】於佔東, 楊學博, 張愛華 申請人:渤海大學