一种基于FPGA的PWM脉冲发生器设计

俞晨光，席自强，李开成，周世平

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

正弦脉宽调制技术（SPWM）是电力电子技术中的一个很重要的组成部分，对提高电力电子装置性能起到关键性的作用。应用于级联H桥型结构的变换器的众多开关调制策略中，载波相移正弦脉宽调制（CPS－SPWM）技术由于具有等效开关频率高、输出电压谐波含量小、信号传输带宽以及控制方法简单等而被广泛应用。针对SPWM的实现方法主要有自然采样法和规则采样法，其中规则采样法在数字控制中应用较多，实现简单。规则采样法又分为对称和不对称规则采样，文献［1］通过实验得出结论：不对称规则采样法的CPS－SPWM 脉冲生成方法，相对对称规则采样法装置的输出电压的基波分量延时缩小一半，幅值有所提高，波形的不对称性也有所改善，并且没有增加开关的频率和计算工作量。

随着多电平技术的发展，对脉宽调制用的控制芯片提出了更高的要求，而市场上已有一些专用的控制芯片要么频率难以满足IGBT等的需求，要么能提供的PWM发生器有限。对于多电平变换器，这些芯片会造成电路设计复杂，难以完成同相功率器件的同步触发。现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）的出现为PWM 的实现提供了更灵活的实现方法。文献［2］提出用DSP和FPGA联合来生成24路PWM波形发生器，理论基础是载波相移SPWM技术，本文在其基础上详细分析了不对称规则采样的脉冲生成时序，并在FPGA中仿真实现。

1 不对称规则采样生成SPWM算法

不对称规则采样法与对称规则采样法的区别主要在于，后者是在每个三角波的谷值时候对正弦调制波数据进行采样，一个三角载波周期采样一次，而不对称规则采样是在三角波的谷值和峰值处都进行采样，即每个三角载波周期采样两次，相比较而言生成的阶梯波与正弦调制波的逼近程度更佳，而且并没有加开关的频率和计算工作量。不对称规则采样法生成SPWM 波见图1［3］。

图1 不对称规则采样法原理图

图1 中Tc为一个三角载波的周期，ur和uc分别为正弦调制波和三角载波，在tC三角波峰值时刻对正弦调制波进行采样得C点，过C点做一水平直线与三角载波交于A点得到时刻tA，在tD三角波谷值时刻再对正弦调制波进行采样得D点，过D点做一水平直线与三角载波交于B点得到时刻tB。在一个三角载波周期内作比较，当ur大于uc时，输出高电平；当ur小于uc时，输出的则是低电平。由图1三角形相似可得以下关系式：

生成的SPWM波脉冲宽度

2 级联装置的SPWM脉冲生成方式

图2为一个单相级联H桥型STATCOM的主电路结构图，根据SPWM脉冲生成的三相对称性，现以一相为例来分析，为了分析方便，取级联单元数N＝3，即为一个单相的七电平STATCOM。图中所示的 Dx1、Dx2、Dx3、Dx4（x ＝1，2，3）分别为各单元左桥臂上、下和右桥臂上、下IGBT开关器件；u1、u2、u3为各单元交流侧的输出电压；u为装置输出总电压；Udc为各单元直流侧电压［4］。

图2 级联H桥STATCOM单相主电路结构图

装置采用基于CPS－SPWM的单极性开关调制方法，实现方法为不对称规则采样法。以图2为仿真模型得到的CPS－SPWM法的仿真波形见图3，图中三个频率为500Hz的三角载波以2π／3的相位差互相错开，由于正弦调制波频率为50Hz，从图中也可以看出一个调制波周期中共有10个三角载波与之比较产生PWM 波［5－6］，比较原则和图1所示的不对称规则采样法一致。

图3 SPWM脉冲生成方式图

3 基于FPGA的不对称规则采样PWM脉冲发生器

3.1 PWM脉冲发生器总体构成

本文是以一个简化的单相三链节STATCOM为例，故该PWM波形发生器由6个两路PWM通过相移构成。在这个DSP＋FPGA的构架中，DSP的作用是采样，然后将数据和地址通过外设接口XINTF传输至FPGA的I／O口，并且为FPGA提供时钟输入，使得DSP和FPGA的时钟能够得到同步。

图4为基于FPGA的PWM波形发生器的系统框图。从图中可知，该发生器的主要构成部分有数据锁存器，相移载波发生器、比较产生PWM波形的PWM模块和最后的死区设定。每个模块的设计和仿真都是在软件平台QuartusⅡ9.1上进行的。

图4 基于FPGA的PWM波形发生器系统框图

3.2 相移载波发生器模块

从图4可以看出相移载波发生模块接收来自DSP的时钟输入，并向DSP的CAP口发送低电平开始进行数据采样［7］。从模块中输出三角载波与正弦调制波进行比较输出PWM波形。图5为相移载波发生器的外部原理图。

图5 相移载波发生器模块

对于单相七电平STATCOM，相移载波发生器共需要发出6组对应的6个桥臂，并且发出的PWM波形对应的是左桥臂的Dx1管和右桥臂的Dx4管（x＝1，2，3），通过死区模块最后生成另外两个开关管的PWM波形。由于采用载波相移正弦脉宽调制方式，因此这6组三角载波有三组是以2π／3的相位错开，与正弦调制波比较后输出的是左桥臂的Dx1（x＝1，2，3）管的PWM波形，而另外三组则是与对应相位相反的三角载波，与同一个正弦调制波比较后输出右桥臂的Dx4（x＝1，2，3）管的PWM波形。

图5中out1［11..0］～out3＿n［11..0］为输出的三角载波数据，outcap为输出给DSP的CAP口低电平开始采样使能信号，outr为输出到数据锁存器的正弦调制波数据更新信号，采样时序符合图1中的不对称规则采样，clk为DSP输入的时钟。

3.3 数据锁存器模块

图6所示为数据锁存器模块，inw为DSP发送过来的写数据信号，当这个信号为低电平的时候，锁存器模块就写入数据然后锁存住，当载波发生器模块向其发送inr的数据更新信号时，锁存器模块便根据DSP发送过来的地址in2［3..0］向最后比较输出PWM波形的PWM模块中对应的链节发送调制波数据out1、out2、out3。

图6 数据锁存器

3.4 PWM比较输出模块

图7 所示为PWM比较输出模块图中i n1、i n2、i n3为对应左桥臂的Dx1管（x＝1，2，3）的三角载波数据输入，与输入的正弦调制波数据sin1、sin2、sin3比较，当inx的幅值小于sinx（x＝1，2，3）的值时，输出高电平，否则输出低电平；in1＿n、in2＿n、in3＿n为对应右桥臂的Dx4管（x＝1，2，3）的三角载波输入，与输入的正弦调制波数据sin1、sin2、sin3比较，当inx＿n的幅值与sinx的幅值之和大于N（N为三角载波计数最大值）时，输出高电平，否则输出低电平。out1～6为级联H桥6个桥臂的PWM脉冲输出。

图7 PWM输出模块

3.5 死区发生器模块

图8 所示为死区发生模块，in1～in6为PWM比较输出模块输出的6个桥臂PWM脉冲，经过死区发生模块最后输出的out1＿y～out3＿y（y＝1，2，3）为对应三个链节每个H桥四个开关管的PWM脉冲。

图8 死区发生模块

4 仿真及实验结果

图9、图10为在QuartusII软件上仿真后的一个链节的PWM脉冲驱动波形和对应死区设置，Link1＿1和Link1＿2为图2中一个H桥左桥臂上下开关管的驱动波形，Link1＿3和Link1＿4为对应右桥臂的上下开关管的驱动波形，死区时间设置约为2μs。一个桥臂的驱动波形的实验结果见图11和12。

图9 一个链节的PWM脉冲驱动波形

图10 PWM脉冲死区设置

本文的实验是在仿真可行的条件下先进行单链节STATCOM的实验，再进行整个装置的调试。图11、图12为图2中单相3链节STATCOM的一个链节的IPM模块中开关管的桥臂实验，分别对应的是左桥臂上下开关管的PWM驱动波形和对应的死区时间设置。在实验中设置Udc为150V，死区时间调整为4.5μs，实验结果证明该PWM发生器的设计是可行的。

图11 PWM驱动脉冲实验波形

图12 死区设置实验波形

5 结论

一些常用的芯片中PWM波输出通道不能满足如多电平变流器的需要，采用FPGA和DSP的构架输出PWM脉冲简化了硬件电路的设计，并且便于应用在其他装置如级联多电平有源电力滤波器、变频器等。通过FPGA实现不对称规则采样法，将该PWM实现方法在多电平的变流器中实现，便于对输出脉冲波形的优化，也为今后对该方式的改进打下基础。

［1］ 许 胜，赵剑锋，唐国庆.级联H桥静止同步补偿器触发脉冲的快速生成方法［J］.中国电机工程学报，2010，30（12）：43－49.

［2］ 李建林，王立乔，李彩霞，等.基于现场可编程逻辑门阵列的多路PWM波形发生器［J］.中国电机工程学报，2005，25（10）：55－59.

［3］ 刘春喜，马伟明，孙 驰，等.FPGA实现的改进不对称规则采样PWM脉冲发生器［J］.高电压技术，2010，36（03）：739－744..

［4］ Hirofumi Akagi，Shigenori Inoue，Tsurugi Yoshii.Control and performance of a transformerless cascade PWM STATCOM with star configuration［J］.IEEE Trans.on Industry Applications，2007，43（04）：1 041－1 049.

［5］ 王立乔，齐 飞.基于新型CPS－SPWM的三相级联型多电平变流器［J］.电力电子技术，2011（06）：26－28.

［6］ 许 胜，赵剑锋.基于不对称规则采样法的级联 H桥型变流器CPS－SPWM输出电压谐波特性分析［J］.电工技术学报，2011，26（06）：121－128.

［7］ 易小强，裴雪军，候 婷，等.基于DSP组合三相逆变电源单极倍频SPWM研究［J］.电力电子技术，2007，41（06）：77－79.