基于FPGA改進(jìn)型正弦波逆變器的設(shè)計(jì)

朱超，劉偉

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于FPGA改進(jìn)型正弦波逆變器的設(shè)計(jì)

朱超，劉偉

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于FPGA實(shí)時(shí)生成正弦波的目的，采用了以Xilinx公司的Zynq-7系列FPGA芯片ZedBorad作為控制器，并且結(jié)合DDS技術(shù)的方法。通過使用Xilinx公司提供的Xilinx Design Tools中的System Generator工具，調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，下載到FPGA中，產(chǎn)生雙極性SPWM波的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法設(shè)計(jì)簡單，控制靈活，波形穩(wěn)定，不失真，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

FPGA；正弦波；DDS；SPWM

逆變器的功能是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，它由逆變橋，SPWM波模塊，驅(qū)動模塊和濾波電路組成。其中SPWM逆變電路是產(chǎn)生純正正弦波的關(guān)鍵[1]，SPWM波模塊產(chǎn)生一直是研究的熱點(diǎn)。PWM（Pulase Width Modulation）就是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，也就是占空比可變的脈沖波形。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，來等效地獲取所需要的波形。在進(jìn)行脈寬調(diào)制的時(shí)候，如果使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律來安排，則輸出電壓經(jīng)過濾波可以得到正弦波形，同時(shí)使得負(fù)載電流中的諧波成分大為減小，稱之為正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）[2]。

在生成SPWM波過程中，DDS（俗稱直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)被廣泛使用。通過DDS技術(shù)，輔以相應(yīng)的軟硬件平臺，可以生成多種波形。比如三角波，鋸齒波，正弦波和矩形波等等。采用DDS技術(shù)作為信號源，使其超越了以傳統(tǒng)模擬方式的信號源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展。函數(shù)信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常是采用分立元件或單片專用集成芯片，但其頻率不高，穩(wěn)定性較差，且不易調(diào)試，開發(fā)和使用上都受到較大限制[3]。隨著可編程邏輯器件（FPGA）的不斷發(fā)展，直接頻率合成（DDS）技術(shù)應(yīng)用的愈加成熟[4]，基于FPGA（Field－Progra mmable Gate Array簡稱FPGA[5]）的信號發(fā)生器，采用DDS原理產(chǎn)生的信號發(fā)生器與基于專用的DDS芯片信號發(fā)生器相比，實(shí)現(xiàn)更簡單靈活，成本更低，并且輔以FPGA的可編程能力，自定義模塊，大大豐富了DDS技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展。

本設(shè)計(jì)將采用調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)模塊，搭建Matlab模型，進(jìn)行在線仿真，并可生成FPGA的IP核（intellectual property core全稱知識產(chǎn)權(quán)核），在SDK中生成SPWM模塊的接口函數(shù)，使得許多復(fù)雜自定義的模塊都有了新的實(shí)現(xiàn)方法。本文研究了基于FPGA正弦波逆變器設(shè)計(jì)，以改進(jìn)的DDS技術(shù)以及新的實(shí)現(xiàn)方法，調(diào)制SPWM波，完成正弦波的輸出。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定指標(biāo)的正弦波的輸出。

1　技術(shù)基礎(chǔ)

本設(shè)計(jì)中逆變器系統(tǒng)，主要包括了FPGA主控制電路，逆變驅(qū)動電路，單相全橋逆變電路，輸出濾波電路以及采樣電路等。FPGA作為主控制芯片，輸出SPWM信號，逆變電路完成直流到交流的轉(zhuǎn)換，濾波后得到光滑的正弦波信號，同時(shí)通過采樣電路，實(shí)時(shí)對正弦波信號進(jìn)行修正，完成輸出符合要求的正弦波。

1.1 SPWM技術(shù)的原理

面積等效原理，即使面積相等但形狀不同的窄脈沖輸入經(jīng)過具有慣性的環(huán)節(jié)，即可輸出基本相同的相應(yīng)波形。正弦脈寬調(diào)制法（簡稱SPWM）即是根據(jù)面積等效原理，將正弦波用脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化的一系列矩形脈沖等效實(shí)現(xiàn)，當(dāng)正弦波和三角波自然相交點(diǎn)生成的即是脈沖序列的寬度。SPWM控制的方法有計(jì)算法和調(diào)制法兩種，由于計(jì)算法過程復(fù)雜繁瑣，所以通常我們采用調(diào)制法。在調(diào)制法中，如果需輸出SPWM波信號，通常采用用等腰三角波作為載波，調(diào)制信號選擇正弦波信號，在電路中以載波和正弦波的交點(diǎn)時(shí)刻對開關(guān)管的進(jìn)行開通與關(guān)斷，通過改變調(diào)制波的幅值、相位和頻率即可方便的改變輸出波的幅值、相位和頻率[6]。

文中主要針對單相逆變電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以四路互補(bǔ)帶死區(qū)的SPWM波驅(qū)動逆變器。SPWM調(diào)制技術(shù)分為單極性SPWM控制和雙極性SPWM控制。單極性SPWM控制的主要優(yōu)點(diǎn)是兩只功率管在一個(gè)開關(guān)周期之內(nèi)以較高的頻率按照正弦變化的占空比切換互補(bǔ)開關(guān)，從而得到理想的正弦輸出電壓。但單極性調(diào)制波形在驅(qū)動開關(guān)管時(shí)，切換工作方式，會造成過零點(diǎn)失真現(xiàn)象[7]。而雙極性SPWM由于4個(gè)功率管都同時(shí)工作在較高頻率，其完全對稱的工作方式，從而很好的解決了過零點(diǎn)失真現(xiàn)象，故本設(shè)計(jì)采用雙極性SPWM控制。

1.2DDS技術(shù)原理

最初的DDS從相位概念出發(fā)直接合成所需波形，是一種全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)。典型的DDS系統(tǒng)由相位控制寄存器、頻率控制寄存器、地址發(fā)生器、波形查找表（ROM/RAM）、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）組成[8]。其原理是在把在存儲單元中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以控制電路為輔，可變的速率協(xié)調(diào)下，將波形傳遞給后級的硬件電路。而本文基于FPGA全部數(shù)字化的設(shè)計(jì)，省去D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器，也可達(dá)到輸出正弦波的效果。如圖1所示，DDS產(chǎn)生SPWM波原理框圖。

圖1　DDS產(chǎn)生SPWM波原理框圖

2　基于FPGA的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)SPWM的產(chǎn)生原理，SPWM電路主要包括正弦波產(chǎn)生模塊、載波發(fā)生器模塊、調(diào)制波與載波比較模塊和死區(qū)模塊等 4部分組成[19]。在正弦波產(chǎn)生模塊中通過 CLK時(shí)鐘信號作用下，從波形查找表ROM中讀取正弦信號值，再與輸入的幅度字相乘，得出正弦波模塊的輸出值。同理載波發(fā)生器模塊在CLK時(shí)鐘信號作用下，通過計(jì)數(shù)器發(fā)出三角載波幅值。將二者的輸出值在比較模塊中進(jìn)行比較，經(jīng)過死區(qū)模塊處理后，即可得到SPWM波信號。只需要將FPGA產(chǎn)生的SPWM波送入硬件驅(qū)動模塊，驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)管，即可完成逆變過程。在此過程中，改變正弦波產(chǎn)生模塊的頻率字和振幅字，就可以靈活的控制逆變電壓的頻率和幅值。

2.1正弦波產(chǎn)生模塊

本設(shè)計(jì)使用 Xilinx公司提供的 Xilinx Design Tools中的System Generator工具，調(diào)用啟動Matlab，從而調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，在Matlab中完成設(shè)計(jì)與仿真。在MATLAB中搭建正弦波產(chǎn)生模塊，如圖2所示，pword_sin為相位字，fword_sin為頻率字，aword_sin_zhenfu為振幅字。相當(dāng)于在n位的尋址ROM/RAM中把0～2π的正弦信號離散成具有2^n個(gè)樣值的序列，以二進(jìn)制數(shù)值形式存儲在2^n個(gè)地址單元[10]。DDS系統(tǒng)的核心是地址發(fā)生器，當(dāng)正弦波產(chǎn)生模塊在CLK系統(tǒng)時(shí)鐘下，它由加法器和地址存儲器組成，用來產(chǎn)生存儲在片內(nèi)ROM中的正弦數(shù)據(jù)的地址。經(jīng)pword_sin字和fword_sin字的累加器相加后，送入16位的ROM地址發(fā)生器，后與振幅字aword_sin_zhenfu字相乘后得到正弦信號幅值。在這里，ROM地址發(fā)生器Depth設(shè)置65536，步長選擇2*pi/2＾16，Initial value vector設(shè)置sin（0：2*pi/2＾16：2*pi。波形查找表通過IP核生成器調(diào)用block RAM，ROM中存放著正弦函數(shù)y=sin一個(gè)完整周期 （0～2π）的65536個(gè)等間隔取值，用來表示取值為16位的數(shù)據(jù)位寬。

圖2　正弦波產(chǎn)生模塊

2.2三角波產(chǎn)生模塊

傳統(tǒng)的DDS技術(shù)，用正弦波做基波，使用三角波作為載波，三角波通常不需要改變，通過基波與三角波的相交點(diǎn)，確定SPWM波的寬窄。而本設(shè)計(jì)中，為了滿足多種需求，在設(shè)計(jì)三角波產(chǎn)生模塊時(shí)，也設(shè)計(jì)成和正弦波產(chǎn)生模塊一樣，具有頻率字和振幅字，改變頻率字和振幅字即可得出需要的三角波。在這里ROM地址發(fā)生器Depth設(shè)置65536，y=sawtooth（pi*（0：65535）/32768，0.5），波形查找表在（0～2π）的65536個(gè)等間隔取值，用來表示取值為16位的數(shù)據(jù)位寬。這樣產(chǎn)生的三角波，靈活性高，調(diào)制也更簡單。

2.3調(diào)制波與載波的比較模塊

正弦調(diào)制波的輸出信號與載波的輸出信號，送入調(diào)制波與載波的比較模塊進(jìn)行比較，得出比較信號PWM波。在此比較模塊中，如圖3所示，加入了死區(qū)控制功能，給定死區(qū)siqu_in的輸入值，即可改變死區(qū)的大小。該方法省去了專用的死區(qū)模塊。同時(shí)加入了PWM輸出控制功能，通過二輸入與門控制PWM波的輸出。只有pwm_switch_in端口輸入為1（高電平）時(shí)，才會有PWM波輸出。

圖3　調(diào)制波與載波的比較模塊

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1逆變電路

文中設(shè)計(jì)的單相全橋逆變電路，主回路選擇H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。Q1～Q4為MOSFET開關(guān)管，型號為IRF3710，其最大電壓為100 V，最大電流57 A。IRF3710開關(guān)管為電壓驅(qū)動型，驅(qū)動設(shè)計(jì)簡單，導(dǎo)通關(guān)斷快，導(dǎo)通電阻比較小，并且可以降低開關(guān)損耗，提高逆變效率。

3.2驅(qū)動電路

在逆變電路設(shè)計(jì)中，驅(qū)動電路尤為重要，是整個(gè)逆變電路的核心。在此設(shè)計(jì)中，驅(qū)動電路包含光耦隔離和驅(qū)動電路。當(dāng)四路SPWM波輸出經(jīng)兩片光耦隔離后，輸入到兩片專用驅(qū)動芯片，輸出帶驅(qū)動能力強(qiáng)的SPWM波，送入逆變橋功率開關(guān)器件。隔離電路采用雙通道HCPL-2630芯片，實(shí)現(xiàn)電壓隔離。驅(qū)動芯片采用高性能的專用芯片IR2410，并且IR2410具有雙通道，驅(qū)動能力強(qiáng)，高壓高速的電壓驅(qū)動型開關(guān)管。如圖5所示，為驅(qū)動電路。

圖4　主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5　驅(qū)動電路圖

4　系統(tǒng)仿真

FPGA是Xilinx的公司Zyqn 7000系列，Xilinx Design Tools帶有開發(fā)工具，主要包含Vivado，SDk，System Generator以及HLS（高級綜合）等工具。其中Vivado主要生成底層硬件BitStream，導(dǎo)入到SDk中并編寫應(yīng)用測試代碼。而System Generator和HLS通過調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，生成FPGA的所需的IP核，添加到工程中，使用靈活，資源豐富。

根據(jù)上述原理，利用 System Generator工具，調(diào)用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，搭建產(chǎn)生SPWM的DDS模型，并搭建逆變器仿真模型，進(jìn)行產(chǎn)生正弦波的驗(yàn)證，仿真證明該方案簡便，可行。將驗(yàn)證可行的Xilinx開發(fā)模塊，利用SDK生成FPGA的IP核，從而導(dǎo)入到工程中。模塊會自動生成輸入輸出的接口函數(shù)，只需按照設(shè)計(jì)要求填充函數(shù)參數(shù)，即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖6所示，為SPWM仿真模型。

通過建立Matlab模型后，輸出四路互補(bǔ)帶有死區(qū)的SPWM波。仿真中，輸入相應(yīng)的參數(shù)，輸出四路互補(bǔ)的SPWM波，改變相應(yīng)的頻率字，相位字等，即可輸出所要求的正弦波，如圖7所示，四路帶死區(qū)SPWM波。

圖6　SPWM仿真模型

圖7　四路帶死區(qū)SPWM波

當(dāng)仿真驗(yàn)證后，通過System Generator工具生成IP核，導(dǎo)入SDK中工程中即可得到相應(yīng)的函數(shù)接口，在程序中填充函數(shù)參數(shù)，即可得到實(shí)際輸出的正弦波。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)得出，根據(jù)以上各模塊設(shè)計(jì)方案，以System Generator工具生成IP核進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，以Xilinx公司的設(shè)計(jì)軟件Xilinx Design Tools作為設(shè)計(jì)平臺，在SDk中進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)型改進(jìn)型正弦波逆變器的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示，為設(shè)定頻率為50 Hz，輸出的電流有效值約1 A，帶阻性負(fù)載的輸出波形。此種設(shè)計(jì)，波形畸變小、曲線平滑，諧波分量低，對稱性好，失真度小于2%。經(jīng)過系統(tǒng)的驗(yàn)證以及硬件調(diào)試，驗(yàn)證了基于FPGA改進(jìn)型正弦波逆變器的設(shè)計(jì)可行性，該方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖8　輸出的實(shí)驗(yàn)波形

6　結(jié)束語

文中主要介紹了以DDS技術(shù)的工作原理和設(shè)計(jì)過程，并結(jié)合FPGA強(qiáng)大的可編程能力，在實(shí)驗(yàn)平臺上。實(shí)現(xiàn)了正弦波信號發(fā)生器。系統(tǒng)軟件可在SDK下編寫代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制等功能，然后通過Xilinx Tools中Program FPGA在線調(diào)試，或者可以直接通過Program Flash，下載到FPGA中。隨著FPGA可編程能力不斷提高，基于FPGA平臺開發(fā)信號發(fā)生器將逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化和產(chǎn)品化[11]。FPGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及可編程能力、并且具有編程靈活，運(yùn)行速率快等優(yōu)點(diǎn)，在合理整合IP核資源和SOPC技術(shù)，簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，一定可以設(shè)計(jì)出功能多樣、性能更加出色的信號發(fā)生器[12]。

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Design of modified sine wave inverter based on FPGA

ZHU Chao，LIU Wei
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

The purpose of real-time generate sine wave based on FPGA，Using Xilinx company Zynq ZedBorad-7 series FPGA chip as a controller method，and combined the technology of DDS.By using Xilinx company Xilinx Design Tools in the System the Generator tool，called Simulink library in Xilinx development module.The test is downloaded to the FPGA，creating a bipolar SPWM wave.The experimental results show that this method is simple in design，flexible control，and waveform is

stable，no distortion，has a strong practical value.

FPGA；sine wave；DDS；SPWM

TN914

A

1674－6236（2016）21-0162-05

2015-10-20稿件編號：201510135

朱 超（1990—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：控制工程。