引言

    PWM技術由于自身的各種優點，已經廣泛地應用于電力電子電路的控制。目前實現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程序產生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會導致PWM脈沖的相位抖動。同時在惡劣的工業環境下，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展，內部資源不斷增多，功能日趨完善。鑒于FPGA運行速度快、抗干擾能力強、I/O口可靈活配置等優點，在電力電子控制領域應用越來越廣泛。本文結合Cyclone系列FPGA（EP1C3T144C8）較為詳細地介紹了PWM控制器的設計。

    由于電壓源型三相逆變電路應用非常普遍，本文以此電路為研究對象，使設計具有通用性。FPGA作為系統控制核心，負責反饋數據處理、閉環系統調節、PWM信號生成、顯示/鍵盤等功能。

1． PWM控制器的設計

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

圖1  系統設計過程

    系統的程序采用模塊化設計，底層為各功能模塊，SPWM產生模塊、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內部結構如圖2所示。

圖2  FPGA內部結構圖

     本系統首先通過MATLAB軟件建立正弦表，裝入FPGA，然后通過程序來查表調用。MOSFET的開啟和關斷，需要設置死區時間，在設計中可取值為20～230。具體算法流程圖如圖3所示。

圖3  SPWM算法流程圖

    要實現閉環控制需要借助于AD轉換芯片，其采樣控制狀態轉移圖如圖4所示。START是轉換啟動信號，一個正脈沖過后A/D開始轉換；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是轉換情況狀態信號，當啟動轉換為100us后，EOC產生一個負脈沖，以示轉換結束；EOC的上升沿后，且輸出使能信號ENABLE為高電平，則控制打開三態緩沖器，把轉換好的8位數據送至FPGA的數據總線，完成一次轉換。

圖4  采樣控制狀態轉移圖

 

    LED用于SPWM的輸出頻率、電網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動態顯示流程圖

2． 實驗結果分析

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

圖6  脈寬調制波形仿真圖

    以下是60MHz的數字存儲示波器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． 結論

    本文利用FPGA（EP1C3T144C8）實現了PWM控制器的設計，得到了實驗波形。實驗結果驗證了本設計是可行的，其設計方法、設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發生器[J]．電子技術應用，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