基於fpga的spwm控制器的製作方法
2023-07-18 07:33:01 1
專利名稱：基於fpga的spwm控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於機電變換器的控制或調節技術領域，具體涉及一種基於FPGA的SPWM控 制器，特別是為航空靜變電源提供SPWM數字脈衝。
背景技術：
由於SPWM (正弦脈衝寬度調製)控制技術應用非常廣泛，目前產生SPWM波形的方法很 多，可以用運算放大器組成spma莫擬電路；也可以用數字電路或者模數混合電路形成多級梯 度三角波或正弦波來生成SPWM波；甚至可以用專用集成電路來實現SP觀，如HEF4752， SEL4520， SA4828等。但採用模擬電路或數模混合電路時，用計算機或單片機實現SP麗控制， 因其受系統時鐘和計算能力限制，輸出波形速度有限，精度也較差；採用專用邏輯電路調試 困難，且不易改進，不易增加新功能。
中國專利文獻資料庫中文獻公開號為CN1855692 (專利申請號CN200510049641. 7)、名稱 為《高速正弦脈衝寬度調製技術》的專利申請公開了一種超高速精密電主軸驅動電源的高速 SPWM(正弦脈衝寬度調製)技術，其特徵是採用電機控制專用DSP作為本驅動電源的逆變主控 晶片，利用DSP的高速運算能力及其內部用於電機控制的專用指令及算法來實現高速SPWM技 術。解決了成倍提高輸出電流波形的正弦擬合度，大大降低電主軸的諧波損耗。由此，在輸 出頻率達到最高4000Hz時，開關頻率只要24KHz，就可以使輸出電流的一個周期內有12個 波頭。這樣就用SP畫雙邊調製的辦法使輸出電壓的脈衝數增加了一倍。但採用DSP產生SPWM 控制脈衝速度受其工作頻率制約，在某些場合下使用速度還不夠快，同時其i/o口數量較少， 功能擴展困難。 發明內容
本實用新型提供一種基於FPGA的SPWM控制器。
本實用新型的基於FPGA的SP麗控制器，其特點是FPGA的主要功能結構由數字三角波產
生單元、正弦值查找表、地址映射以及數據處理單元、雙極性兩相數字調製單元、單相極性
延遲單元、三相相位延遲單元、開關器件死區延遲單元組成；控制器實時通過地址映射，從
FPGA內部存儲器中的正弦值查找表讀出設定的正弦值，與數字三角波產生單元生成的數字三
角波在雙極性兩相數字調製單元進行比較，根據比較結果確定逆變器開關的時刻以獲得A相
正極輸出；單相極性延遲單元對比較結果作180"延遲以獲得A相負極輸出；三相相位延遲單
元根據上述正負極輸出作120。延遲以獲得B相正、負極輸出，同時作240。延遲以獲得C相正、 負極輸出；得到的A、 B、 C三相正負極信號進入開關器件死區延遲單元處理後送到FPGA的 I/O 口輸出。
所述的控制器中的雙極性兩相數字調製單元還可由用戶輸入電壓幅值要求來確定脈衝序 列的寬度進行電壓預置，根據電壓反饋信號實時調整脈衝序列的寬度以降低系統輸出電壓的 紋波；控制器中還設置有時鐘處理單元，時鐘處理單元根據用戶輸入的頻率要求確定脈衝序 列的頻率實現頻率預置，根據頻率反饋信號實時調整脈衝序列的頻率以降低系統輸出頻率的 抖動；控制器根據故障反饋信號停止SPWM輸出。
本實用新型的基於FPGA的SP觀控制器採用雙極性兩相調製波調製方式，雙極性是指調 制信號(正弦波)和載波信號(三角波)均為有正有負的雙極性信號，兩相調製波調製方式 是指調製波為兩相互相反向的正弦波，採用雙極性兩相調製波調製方式比單極性單相調製方 式有更好的諧波特性，對所用器件的運算量和運算速度要求更高，但採用合適的FPGA時完全 滿足要求。
本實用新型的基於FPGA的SP麗控制器的全數字邏輯控制僅在一片FPGA中實現，成本較 低，集成度較高，系統結構簡單，可靠性好；時鐘頻率可上百兆，運算速度較快；1/0口較 多，可方便地調試、改進和增加新功能；產生的SPmi波形頻率範圍寬，精度較高；採用雙極 性兩相調製波調製方式，可有效控制諧波含量。
圖1本實用新型的基於FPGA的SP謂控制器的內部主要功能結構框圖 圖2本實用新型的基於FPGA的SP麵控制器的原理示意圖 圖3本實用新型的基於FPGA的SP麗控制器輸出控制脈衝時序波形圖 圖4本實用新型的應用系統框圖具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。
本實用新型基於FPGA的SP麗控制器的內部主要功能結構框圖如圖1所示，控制器的內 部主要功能結構由數字三角波產生單元、正弦值查找表、地址映射以及數據處理單元、雙極 性兩相數字調製單元、單相極性延遲單元、三相相位延遲單元、開關器件死區延遲單元組成； 控制器實時通過地址映射，從FPGA內部存儲器中的正弦值查找表讀出設定的正弦值，與數字 三角波產生單元生成的數字三角波在雙極性兩相數字調製單元進行比較，根據比較結果確定
逆變器開關的時刻以獲得A相正極輸出；單相極性延遲單元對比較結果作180。延遲以獲得A 相負極輸出；三相相位延遲單元根據上述正負極輸出作12(T延遲以獲得B相正、負極輸出， 同時作240"延遲以獲得C相正、負極輸出；得到的A、 B、 C三相正負極信號進入開關器件死 區延遲單元處理後送到FPGA的I/O 口輸出。
FPGA採用Altera公司Cylone系列的EP1C6Q240C8,內嵌存儲器，時鐘管理方便且性價比高。
本實用新型解決技術問題採用的調製原理如圖2所示。在SPWM電壓脈衝序列中，各個脈 衝的幅度相等而脈衝寬度不等，寬度變化取決於正弦波電壓和三角波電壓的交點及交點間距。 因此這個脈衝序列佔空比按正弦規律變化，其瞬時電壓平均值也就按正弦規律變化。SPWM就 是用這樣的矩形脈衝取畢竟和等效我們需要的正弦交流信號。由於本控制器採用雙極性兩相 調製波調製方式，當三角波電壓在兩相正弦波電壓之間時，控制器輸出高電平，否則輸出低 電平。參考圖2，正弦波在FPGA中是利用存儲在RAM中的正弦值採用查找表的方式實現的， 在一個基波周期裡，輸出Pmi脈衝數為40，因此若逆變器系統輸出頻率為400Hz，則開關頻 率為16KHz。三角波在FPGA中是由6位計數器編程實現的， 一個三角波佔64個時鐘周期， 因此對於逆變器系統輸出頻率為400Hz時，FPGA工作頻率為1024K，即SP醫控制脈衝寬度可 調步進為976. 5625 ns。
本實用新型的基於FPGA的SP麗控制器輸出控制脈衝時序波形如圖3所示。A相正極脈 衝寬度按正弦規律周期性變化，負極經180°延遲後剛好與正極波形反相；B相，C相，相對於 A相的延遲分別為120°和240°。
本實用新型的應用系統框圖如圖4所示。基於FPGA的SPWM控制器根據輸入的頻率/電壓 設置、電壓反饋信號輸出A、 B、 C三相控制脈衝給由光藕網絡構成的隔離電路和由IPM構成 的驅動電路，然後送給三相逆變器控制其開關時間。FPGA還可根據反饋的缺相、欠壓、或過 流等故障信號停止SPWM控制脈衝輸出從而保護逆變器。
權利要求1. 基於FPGA的SPWM控制器，其特徵是FPGA的主要功能結構由數字三角波產生單元、正弦值查找表、地址映射以及數據處理單元、雙極性兩相數字調製單元、單相極性延遲單元、三相相位延遲單元、開關器件死區延遲單元組成；控制器實時通過地址映射，從FPGA內部存儲器中的正弦值查找表讀出設定的正弦值，與數字三角波產生單元生成的數字三角波在雙極性兩相數字調製單元進行比較，根據比較結果確定逆變器開關的時刻以獲得A相正極輸出；單相極性延遲單元對比較結果作1800延遲以獲得A相負極輸出；三相相位延遲單元根據上述正負極輸出作1200延遲以獲得B相正、負極輸出，同時作2400延遲以獲得C相正、負極輸出；得到的A、B、C三相正負極信號進入開關器件死區延遲單元處理後送到FPGA的I/O口輸出。
2. 根據權利要求1所述的基於FPGA的SPWM控制器，其特徵是所述的控制器中的雙極性兩相 數字調製單元還可由用戶輸入電壓幅值要求來確定脈衝序列的寬度進行電壓預置，根據電壓 反饋信號實時調整脈衝序列的寬度以降低系統輸出電壓的紋波；控制器中還設置有時鐘處理 單元，時鐘處理單元根據用戶輸入的頻率要求確定脈衝序列的頻率實現頻率預置，根據頻率 反饋信號實時調整脈衝序列的頻率以降低系統輸出頻率的抖動；控制器根據故障反饋信號停 止SP麗輸出。
專利摘要本實用新型提供了一種基於FPGA的SPWM控制器，控制器實時通過地址映射，從FPGA內部存儲器中的正弦值查找表讀出設定的正弦值，與數字三角波產生單元生成的數字三角波在雙極性兩相數字調製單元進行比較，根據比較結果確定逆變器開關的時刻以獲得A相正極輸出；單相極性延遲單元對比較結果作180°延遲以獲得A相負極輸出；三相相位延遲單元根據上述正、負極輸出作120°延遲以獲得B相正、負極輸出，同時作240°延遲以獲得C相正、負極輸出；得到的三相正、負極信號進入開關器件死區延遲單元處理後送到FPGA的I/O口輸出。本實用新型的控制器成本較低，集成度較高，系統結構簡單，可靠性好；運算速度較快；可方便地調試、改進和增加新功能。
文檔編號H02M7/48GK201213243SQ20082006410
公開日2009年3月25日 申請日期2008年7月4日 優先權日2008年7月4日
發明者任青毅, 超 葉, 雷 黃 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所