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引言

    PWM技术由于自身的各种优点，已经广泛地应用于电力电子电路的控制。目前实现PWM控制的主要硬件载体是单片机，包括高性能的DSP控制器。通常情况下，单片机通过定时中断服务程序产生PWM脉冲，因此在每个载波周期必须进行中断处理，文献［1］指出，微处理器中不确定的中断响应会导致PWM脉冲的相位抖动。同时在恶劣的工业环境下，单片机抗干扰性能差的问题显得尤其突出，甚至影响到系统的安全运行。因此不得不花费大量的精力解决抗干扰问题。

    FPGA由于近年来的迅猛发展，内部资源不断增多，功能日趋完善。鉴于FPGA运行速度快、抗干扰能力强、I/O口可灵活配置等优点，在电力电子控制领域应用越来越广泛。本文结合Cyclone系列FPGA（EP1C3T144C8）较为详细地介绍了PWM控制器的设计。

    由于电压源型三相逆变电路应用非常普遍，本文以此电路为研究对象，使设计具有通用性。FPGA作为系统控制核心，负责反馈数据处理、闭环系统调节、PWM信号生成、显示/键盘等功能。

1． PWM控制器的设计

    在本系统设计中采用自上至下(Top Down)的设计方法，分为三个层次，即行为描述、RTL方式描述、逻辑综合，系统设计过程如图1所示。

图1  系统设计过程

    系统的程序采用模块化设计，底层为各功能模块，SPWM产生模块、检测模块、显示通讯模块，顶层采用原理图对各功能模块的组合。FPGA内部结构如图2所示。

图2  FPGA内部结构图

     本系统首先通过MATLAB软件建立正弦表，装入FPGA，然后通过程序来查表调用。MOSFET的开启和关断，需要设置死区时间，在设计中可取值为20～230。具体算法流程图如图3所示。

图3  SPWM算法流程图

    要实现闭环控制需要借助于AD转换芯片，其采样控制状态转移图如图4所示。START是转换启动信号，一个正脉冲过后A/D开始转换；ALE是3位通道选择地址(ADD、CADDB、ADDA)信号锁存信号。当模拟量送至某一输入端时，由3位地址信号选择，而地址信号由ALE锁存；EOC是转换情况状态信号，当启动转换为100us后，EOC产生一个负脉冲，以示转换结束；EOC的上升沿后，且输出使能信号ENABLE为高电平，则控制打开三态缓冲器，把转换好的8位数据送至FPGA的数据总线，完成一次转换。

图4  采样控制状态转移图

 

    LED用于SPWM的输出频率、电网检测及其故障信息的的指示。具体程序流程图如下图5所示。

图5  LED动态显示流程图

2． 实验结果分析

    QuartusⅡ软件自带仿真工具所截取的单极性脉宽调制波形仿真图如下图6所示。
 

图6  脉宽调制波形仿真图

    以下是60MHz的数字存储示波器Tektronix TDS1002拍摄得到实际波形。控制器端口输出的实际波形如图7所示

图7 控制器端口输出波形

    逆变器阻性负载输出波形如图8所示（负载为36Ω电阻丝）。

图8  阻性负载波形

    逆变器通过RC一级滤波后，电容两端得到的正弦信号如图9所示。

图9  RC滤波后输出的正弦信号

 
3． 结论

    本文利用FPGA（EP1C3T144C8）实现了PWM控制器的设计，得到了实验波形。实验结果验证了本设计是可行的，其设计方法、设计思路具有一定的参考价值。

参考文献
[1] 许强，等．基于FPGA的三相PWM发生器[J]．电子技术应用，2001，27（1）：73～74
[2] 周媛，李铁才，杨贵 杰三相SPWM变频控制器通用IP核的研究[J]，哈尔滨理工大学学报，2004 Vol.9 No.5 P.25-28