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引言

    PWM技術(shù)由于自身的各種優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電力電子電路的控制。目前實現(xiàn)PWM控制的主要硬件載體是單片機，包括高性能的DSP控制器。通常情況下，單片機通過定時中斷服務(wù)程序產(chǎn)生PWM脈沖，因此在每個載波周期必須進行中斷處理，文獻［1］指出，微處理器中不確定的中斷響應(yīng)會導致PWM脈沖的相位抖動。同時在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，單片機抗干擾性能差的問題顯得尤其突出，甚至影響到系統(tǒng)的安全運行。因此不得不花費大量的精力解決抗干擾問題。

    FPGA由于近年來的迅猛發(fā)展，內(nèi)部資源不斷增多，功能日趨完善。鑒于FPGA運行速度快、抗干擾能力強、I/O口可靈活配置等優(yōu)點，在電力電子控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。本文結(jié)合Cyclone系列FPGA（EP1C3T144C8）較為詳細地介紹了PWM控制器的設(shè)計。

    由于電壓源型三相逆變電路應(yīng)用非常普遍，本文以此電路為研究對象，使設(shè)計具有通用性。FPGA作為系統(tǒng)控制核心，負責反饋數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、PWM信號生成、顯示/鍵盤等功能。

1． PWM控制器的設(shè)計

    在本系統(tǒng)設(shè)計中采用自上至下(Top Down)的設(shè)計方法，分為三個層次，即行為描述、RTL方式描述、邏輯綜合，系統(tǒng)設(shè)計過程如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)設(shè)計過程

    系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計，底層為各功能模塊，SPWM產(chǎn)生模塊、檢測模塊、顯示通訊模塊，頂層采用原理圖對各功能模塊的組合。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

     本系統(tǒng)首先通過MATLAB軟件建立正弦表，裝入FPGA，然后通過程序來查表調(diào)用。MOSFET的開啟和關(guān)斷，需要設(shè)置死區(qū)時間，在設(shè)計中可取值為20～230。具體算法流程圖如圖3所示。

圖3  SPWM算法流程圖

    要實現(xiàn)閉環(huán)控制需要借助于AD轉(zhuǎn)換芯片，其采樣控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。START是轉(zhuǎn)換啟動信號，一個正脈沖過后A/D開始轉(zhuǎn)換；ALE是3位通道選擇地址(ADD、CADDB、ADDA)信號鎖存信號。當模擬量送至某一輸入端時，由3位地址信號選擇，而地址信號由ALE鎖存；EOC是轉(zhuǎn)換情況狀態(tài)信號，當啟動轉(zhuǎn)換為100us后，EOC產(chǎn)生一個負脈沖，以示轉(zhuǎn)換結(jié)束；EOC的上升沿后，且輸出使能信號ENABLE為高電平，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)送至FPGA的數(shù)據(jù)總線，完成一次轉(zhuǎn)換。

圖4  采樣控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

 

    LED用于SPWM的輸出頻率、電網(wǎng)檢測及其故障信息的的指示。具體程序流程圖如下圖5所示。

圖5  LED動態(tài)顯示流程圖

2． 實驗結(jié)果分析

    QuartusⅡ軟件自帶仿真工具所截取的單極性脈寬調(diào)制波形仿真圖如下圖6所示。
 

圖6  脈寬調(diào)制波形仿真圖

    以下是60MHz的數(shù)字存儲示波器Tektronix TDS1002拍攝得到實際波形。控制器端口輸出的實際波形如圖7所示

圖7 控制器端口輸出波形

    逆變器阻性負載輸出波形如圖8所示（負載為36Ω電阻絲）。

圖8  阻性負載波形

    逆變器通過RC一級濾波后，電容兩端得到的正弦信號如圖9所示。

圖9  RC濾波后輸出的正弦信號

 
3． 結(jié)論

    本文利用FPGA（EP1C3T144C8）實現(xiàn)了PWM控制器的設(shè)計，得到了實驗波形。實驗結(jié)果驗證了本設(shè)計是可行的，其設(shè)計方法、設(shè)計思路具有一定的參考價值。

參考文獻
[1] 許強，等．基于FPGA的三相PWM發(fā)生器[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27（1）：73～74
[2] 周媛，李鐵才，楊貴 杰三相SPWM變頻控制器通用IP核的研究[J]，哈爾濱理工大學學報，2004 Vol.9 No.5 P.25-28