基于FPGA的三相PWM發(fā)生器

隨著現(xiàn)代工業(yè)的要求和微電子技術(shù)的進(jìn)步,交流傳動已經(jīng)迅速地從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制,其中PWM技術(shù)與方法是其核心內(nèi)容。但數(shù)字化PWM電路一直是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),除了集成三相PWM發(fā)生器的80C196MC、TMS320F240等微處理器外,均采用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)三相PWM,這是非常復(fù)雜的，往往使電路復(fù)雜、可靠性差。本文介紹了一種用單片大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)的三相PWM發(fā)生器,它具有三相脈沖中心對稱、PWM周期和死區(qū)時間可編程等特點(diǎn),且性能優(yōu)異、靈活性和可靠性高。

1 基本原理

　　本設(shè)計(jì)的目的是產(chǎn)生三相逆變器的PWM信號波形。圖1是用FPGA實(shí)現(xiàn)的PWM部分設(shè)計(jì)框圖,它主要由脈寬寄存器、緩沖寄存器、周期寄存器、死區(qū)寄存器、死區(qū)發(fā)生器、數(shù)值比較器、控制邏輯等幾部分構(gòu)成。脈寬寄存器,決定三相PWM信號的脈寬;緩沖寄存器,實(shí)現(xiàn)對脈寬數(shù)據(jù)的雙緩沖;周期寄存器,決定PWM的斬波周期;死區(qū)寄存器,決定上下橋臂的死區(qū)時間。脈寬寄存器在每個開關(guān)周期中由微處理器更新一次,其輸出數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖以后與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)值比較,得到三相PWM信號PA、PB、PC。再經(jīng)過死區(qū)電路處理,最后產(chǎn)生6個中心對稱的PWM驅(qū)動信號,驅(qū)動三相逆變器的6個功率器件。PWM算法可采用SPWM(正弦PWM)或者SVPWM(空間矢量PWM)。

FPGA中的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器,用來產(chǎn)生類似模擬電路中的三角波基準(zhǔn),是一個最小計(jì)數(shù)值為0、最大計(jì)數(shù)值為周期寄存器中保存的數(shù)值、計(jì)數(shù)方向交替變化的可逆計(jì)數(shù)器?；鶞?zhǔn)計(jì)數(shù)器單元在最大計(jì)數(shù)值時產(chǎn)生一個同步信號SYN,當(dāng)它有效時將三個脈寬寄存器的數(shù)據(jù)存入各自的緩沖寄存器,實(shí)現(xiàn)雙緩沖,使三個脈寬寄存器在SYN無效時可依次由微處理器更新而不影響最終的三相同步關(guān)系。同時基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器單元產(chǎn)生一個方向信號DIR,可作為微處理器的外部中斷源(邊緣觸發(fā)方式),在PWM開關(guān)周期的起始點(diǎn)產(chǎn)生中斷。

　　微處理器軟件設(shè)計(jì)較簡單,在初始化階段設(shè)置好周期寄存器、死區(qū)寄存器,以后只需在PWM中斷服務(wù)程序中將計(jì)算好的三相脈寬數(shù)據(jù)分別送到各自的脈寬寄存器,然后退出中斷服務(wù)程序,等待控制器在SYN脈沖控制下將三個脈寬寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到各自的緩沖寄存器中。在下一個PWM周期中輸出相應(yīng)的脈沖,同時中斷被觸發(fā),便開始了下一個PWM中斷服務(wù)程序。程序要求PWM中斷服務(wù)程序運(yùn)行時間小于PWM周期,由此決定了PWM最高運(yùn)行頻率。圖2為PWM波形圖。

2 內(nèi)部設(shè)計(jì)

　　以A相為例,基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器由加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成。加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)交替執(zhí)行,計(jì)數(shù)周期由周期寄存器決定,DIR指示計(jì)數(shù)方向,同步信號SYN用來加載A相緩沖器。PA是緩沖器與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的數(shù)值比較結(jié)果,死區(qū)發(fā)生器由死區(qū)計(jì)數(shù)器和一些組合邏輯組成,使同相的上下橋臂驅(qū)動信號錯開一個死區(qū)時間,防止功率器件短路。死區(qū)時間由死區(qū)寄存器決定,最后輸出A相上下橋臂驅(qū)動信號AH和AL。

　　死區(qū)計(jì)數(shù)器采用飽和計(jì)數(shù)器,飽和計(jì)數(shù)器的特性類似于電容的充放電過程,規(guī)則為:

　　(1)當(dāng)輸入為0時,如果計(jì)數(shù)值等于0,則計(jì)數(shù)值保持不變,否則作減1計(jì)數(shù);

　　(2)當(dāng)輸入為1時,如果計(jì)數(shù)值等于max,則計(jì)數(shù)值保持不變,否則作加1計(jì)數(shù);

　　(3)當(dāng)輸入為1且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為max時,

　　AL=0，AH=1，上橋臂導(dǎo)通;

　　(4)當(dāng)輸入為0且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為0時,AL=1，AH=0，下橋臂導(dǎo)通;

　　(5)當(dāng)死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值在0～max之間時,AL=0，

　　AH=0，上下橋臂都截止,形成死區(qū)。

其中,max等于死區(qū)寄存器的數(shù)值。

周期寄存器和脈寬寄存器為14位,死區(qū)寄存器為8位,在20MHz時鐘下,開關(guān)頻率為610Hz～10MHz， 死區(qū)時間為0～12.8μs,脈沖分辨率為50ns。

FPGA采用VHDL硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì),下面給出死區(qū)發(fā)生器的VHDL設(shè)計(jì):

entity dead is

port(clk，px:in std_logic；

xh，xl:out std_logic；

dead_time:in std_logic_vector(7 downto 0)；

q:inout std_logic_vector(7 downto 0))；

end dead；

architecture dead of dead is

　　begin

　　process(clk)

　　begin

　　if (clk＇EVENT and clk=′1′) then

if ((px=′1′) and (q/=dead_time)) then

q=q+1；

　 elsif ((px=′0′) and (q/=″00000000″)) then

　 q=q-1；

end if；

if ((px=′1′) and (q=dead_time)) then

xh=′1′；

else

xh=′0′；

end if；

if ((px=′0′) and (q=″00000000″)) then

xl=′1′；

else

xl=′0′；

end if；

end if；

end process；

end dead；

3 試驗(yàn)與結(jié)論

　　FPGA采用ACTEL公司反熔絲工藝的42MX16， 應(yīng)用在所研制的交流主軸驅(qū)動器中,圖3是其6個基極驅(qū)動信號波形。在實(shí)際應(yīng)用中,除PWM外,在同一片F(xiàn)PGA中還設(shè)計(jì)了光電編碼器計(jì)數(shù)單元、輸入脈沖計(jì)數(shù)器、I/O接口、保護(hù)電路、譯碼器等全部外圍數(shù)字邏輯電路,它與DSP、A/D芯片和接口電路構(gòu)成非常簡潔的交流電機(jī)驅(qū)動器的控制部分。采用FGPA構(gòu)成三相PWM發(fā)生器的方案,具有低成本、高靈活性、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。