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                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                2020年12月03日 15:36 ? 次阅读

                0 引言

                PWM(Pulse Width Modulation)是通过调节输出波形的脉冲宽度来改变输出电压大小的一种调制方法,在交流传动、电力拖动系统和控制领域有着广泛的用途,但采用PWM调制技术在负载上的电流波形是非正弦波,这就使负载上具有很多的高次谐波成份,对系统的指标和稳定性造成很大的:。正弦型脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width ModulaTIon,SPWM)是一种使输出的PWM波形按正弦的规律进行变化的技术,从而大大的提高了后级功率开关器件的稳定性和系统的效率。常见的SPWM波形产生方法主要有两种:一种是利用专门的SPWM产生芯片如TMS320 F2812来产生,这种方法的特点是一次可以产生6路或12路SPWM信号;另一种方法利用自然采样法的原理,采用数字或模拟方法产生三角波和正弦波,再使用比较器对产生的三角波和正弦波进行比较而得到SPWM波,这种方法产生SPWM波的路数比较灵活,电路原理简单,但具体实现比较复杂。

                1971年3月,美国学者J.TIemcy,C.M.Rader和B.Gold提出了从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理,称之为直接数字频率合成器(DDS)。DDS技术是一种直接数字合成方法,不需要振荡和锁相环节,直接将波形函数进行离散化,以时间为地址,幅度为量化数据,依次存入波形存储器,使连续的数据流通过数/模转换器产生需要的波形。本文利用FPGA内部的DDS模块产生离散化的正弦波和三角波,进而产生数字的SPWM波形,再经过死区产生、脉冲消去处理后就得到了可以驱动后级功率放大管的驱动信号,利用该方法可以灵活的产生所需的任意调制比和载波比的SPWM波形,并且可以使负载上谐波含量大大减小,有效的保证了整个系统的稳定性。

                1 SPWM波形的FPGA实现

                根据SPWM自然采样法的原理,产生适合逆变器功率放大管所需的SPWM信号的电路主要包括正弦波产生模块、三角波产生模块、比较和死区产生模块和脉冲消去模块,它们之间的关系如图1所示。

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                正弦波产生模块根据主控制器传来的频率控制字从ROM表中读出相应的正弦波的离散值,同样,三角波产生模块根据频率控制字从存储三角波的ROM表中读出三角波的离散值,比较器和死区产生模块根据传来的正弦波和三角波的离散值进行比较,直接进行比较产生上桥臂驱动信号,将正弦波离散值或三角波离散值加上一个特定的值或减去一个特定值再和三角波进行比较,产生上桥臂对应的下桥臂驱动信号,这时产生的信号已经是带死区的SPWM信号,再经过脉冲消去模块,消去功率器件来不及反应的窄的驱动信号,最后就可以得到直接驱动逆变器的一对SPWM信号。

                1.1 波形产生模块

                DDS技术是一种全数字的频率合成技术,是将已知的信号经过取样、量化,形成可供查询的数据表存于数据ROM中,通过改变频率控制字来改变输出所需频率的一种技术。如图2所示,DDS主要由频率控制字、累加器、相位寄存器、时钟源、加法器、相位控制字、波形查找表、DAC和LPF等模块组成。但因本设计不需要模拟信号,直接使用其中的数字信号,故不需要DAC和LPF模块,全部在FPGA内部数字化实现。数字三角波的产生和数字正弦波的产生一样,惟一不同就是在波形表中用量化后的三角波数据代替正弦波数据。

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                软件实现方法与脉冲消去方法大致相同,一般都是设计一个加减计数器,根据死区时间来确定加减计数器的最大值d,由计数器的最大值d来确定死区时间。这种实现方法是一般的实现方法,本设计提出了一种新型的死区产生方法,如图4所示,实线表示正常采用自然采样法的正弦波形和三角波形,正弦波y=Ussin x的半波的幅度为Us,三角波的幅度为Ut,根据自然采样法的原理,这里假定正弦波大于三角波时输出为高电平,小于时输出为低电平,根据正弦波和三角波的交点及电平输出的判断规则可以得到SPWM脉冲的第一路波形,这时把正弦波向上平移b个单位,如图4中的虚线,正弦波形y=Ussin x变为y=Ussinx+6,再根据自然采样法的原理用平移后的正弦波和三角波相交,根据交点判断输出高低电平,这样判断输出的电平高低就可以得到第二路的SPWM波形,生成了SPWM波形的死区,在本设计中采用的是数字方法产生SPWM,根据图4,可以在程序中按原来的方法产生第一路信号,把从ROM中取出的正弦信号加上b,再和原来的方波信号进行比较,这样就可以得到第二路SPWM信号,同样道理,也可以把三角波向上平移b个单位来产生第二路SPWM信号,但不管平移正弦波或三角波,都要保证平移后的正弦波的波形幅度要小于三角波的波形幅度。也可以设计第三个ROM,在程序外把经过向上平移后的正弦波形进行量化,存入ROM表中,在程序中用这个表和三角波的离散值进行比较,只是这样设计会增加FPGA硬件资源的消耗和增大存储器的存储空间。

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                正弦信号往上偏移值b的确定是根据死区时间的值来确定的,这个值越大,则死区时间也越长,所以,可以调节b的值来增大或减小死区时间。一对经过死区处理后的SPWM波形如图5所示,从图5中可以看出,死区时间为16μs。

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                1.3 脉冲消去模块

                在产生的SPWM脉冲中,完整的SPWM脉冲序列包含了占空为从0~100%的脉冲,因此有些脉冲的宽度可以达到非常小,而实际上,过窄的脉冲是无用的,因为在这样短的脉冲持续时间内,后级的功率放大管是不能完全导通或关断,只会增加功率器件的损耗,所以必须删除这些不良窄波;如图4所示,第二路的SPWM波形会出现比第一路SPWM波形小两倍死区时间的脉冲,如果某个脉冲已经在临界的宽度了,经过死区产生模块就会变成一个对后级的功率管来说过窄的脉冲,这也就是脉冲消去模块在死区模块后级的原因,它的作用是消去一些本来就有的和经过死区处理后的毛刺。处理后的波形如图6所示,图7为处理后的一对带死区的SPWM波形。

                一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生的设计与实现详解

                不论采用这种方法产生的SPWM波形,还是利用加减计数器的方法来产生SPWM波形,经过脉冲消去模块,都会存在输出的两路SPWM脉冲不对称性问题,如图7所示,就是有可能其中一路的波形缺失或所对应的另一路波形出现缺失,但这个问题可以在脉冲消去后再加一个模块进行处理而避免;对于载波频率变小时负载谐波变大的问题可以参考器件参数采用一定频率范围内的动态载波比和动态死区时间来解决。

                2 结语

                本文设计了一种基于FPGA的带死区的SPWM波形产生技术,对于SPWM的死区产生,一般都是应用加减计数器来实现,本文提出了一个新的选择,把死区产生模块融合到了比较模块中,利用波形平移技术,巧妙的产生了所要求死区时间的SPWM波形。生成的SPWM波形输出给后级的功率放大电路,检测系统负载上的电压和电流波形为较好的正弦波形,很好地满足了设计的要求。

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                发表于 2020-12-03 10:40 ? 396次阅读
                阐释数字电源模块如何满足FPGA的供电需求

                我们要学好FPGA必须掌握以下知识

                四个字母Field(现。 Programmable(可编程) Gate(逻辑门) Array(阵列...

                发表于 2020-12-03 15:59 ? 196次阅读
                我们要学好FPGA必须掌握以下知识

                Efinix? 推出Trion? T20 FPG...

                香港– 2020年12月03日 – 可编程产品平台和技术创新企业Efinix?今天宣布提供Trion...

                发表于 2020-12-03 15:50 ? 105次阅读
                Efinix? 推出Trion? T20 FPG...

                FPGA企业与大学生交流,产教结合助推人才培养

                导读:人才是集成电路发展的根本,除了学校教育以外,企业的参与可以帮助学生快速理解市场需求,近日在南京...

                发表于 2020-12-03 18:04 ? 2103次阅读
                FPGA企业与大学生交流,产教结合助推人才培养

                Achronix推出其第四代嵌入式FPGA产品

                Achronix半导体公司推出其第四代嵌入式FPGA产品Speedcore Gen4 eFPGA I...

                发表于 2020-12-03 17:28 ? 95次阅读
                Achronix推出其第四代嵌入式FPGA产品

                怎么监控FPGA内部的温度和电压变化情况

                打开例程工程后,我们可以查看工程源代码和仿真TestBench来学习,对工程进行更详细的研究和IP核...

                发表于 2020-12-03 11:33 ? 451次阅读
                怎么监控FPGA内部的温度和电压变化情况

                基于AXI总线的未知信号频率测量

                这一节我们实现一个稍微复杂一点的功能——测量未知信号的频率,PS和PL通过AXI总线交互数据,实现我...

                发表于 2020-12-03 11:00 ? 97次阅读
                基于AXI总线的未知信号频率测量

                EDA实验之在FPGA上设计一个DDS模块

                在FPGA上设计一个DDS模块,在DE0 开发板上运行,在FPGA芯片内部合成出数字波形即可。

                发表于 2020-12-03 09:18 ? 147次阅读
                EDA实验之在FPGA上设计一个DDS模块

                采用LED光通信技术实现温度实时显示系统的设计

                LED光通信,就是用LED光来实现无线通信,主要是靠发光二极管(LED)发出的高速亮灭闪烁信号来传输...

                发表于 2020-12-03 08:21 ? 159次阅读
                采用LED光通信技术实现温度实时显示系统的设计

                从一个FPGA厂商转变为一个提供系统设计的厂商 ...

                如今随着芯片工艺的演进,一方面我们看到芯片尺寸越来越小,性能越来越提升,另一方面集成度也在不断提高。...

                发表于 2020-12-03 17:02 ? 296次阅读
                从一个FPGA厂商转变为一个提供系统设计的厂商 ...

                如果能在SoC中嵌入一个FPGA核心 那么芯片将...

                人工智能是当下最火爆的话题。据说,与人工智能相关的市场规模十分巨大,是继PC市场、移动互联网市场之后...

                发表于 2020-12-03 13:36 ? 170次阅读
                如果能在SoC中嵌入一个FPGA核心 那么芯片将...

                Microsemi Corporation推出了...

                2020年12月03日—— 在5G、机器学习和物联网(IoT)联合推动的新计算时代,嵌入式开发人员需要...

                发表于 2020-12-03 16:27 ? 184次阅读
                Microsemi Corporation推出了...

                Xilinx推出可扩展处理平台架构 设计人员可同...

                无论是汽车驾驶辅助、智能视频监控、工业自动化、航天与国防或是无线通信等终端应用,功能的日益复杂使得嵌...

                发表于 2020-12-03 16:24 ? 261次阅读
                Xilinx推出可扩展处理平台架构 设计人员可同...

                AI芯片如果有罗马大道 必定归功可重构计算

                在芯片架构设计领域中,可重构计算技术并非一项新的存在。20世纪60年代末,加利福尼亚大学的Gerai...

                发表于 2020-12-03 08:44 ? 1157次阅读
                AI芯片如果有罗马大道 必定归功可重构计算

                FPGA如何实现30倍的高性能计算

                FPGA(Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,作为AS...

                发表于 2020-12-03 08:36 ? 386次阅读
                FPGA如何实现30倍的高性能计算

                SPWM与SVPWM的原理与算法

                经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波,并未顾及输出电流的波形。而电流滞环...

                发表于 2020-12-03 10:54 ? 388次阅读
                SPWM与SVPWM的原理与算法

                站在FPGA的肩膀上 AI可重构芯片诞生

                在芯片架构设计领域中,可重构计算技术并非一项新的存在。20世纪60年代末,加利福尼亚大学的Gerai...

                发表于 2020-12-03 10:09 ? 583次阅读
                站在FPGA的肩膀上 AI可重构芯片诞生

                基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性

                另一方面,在基于闪存的FPGA中,配置模式保存在芯片上的非易失性存储器单元,甚至电源被移除时,闪存单...

                发表于 2020-12-03 10:24 ? 621次阅读
                基于闪存FPGA的门阵列为设计带来更多灵活性

                赛灵思推出全新系列的产品类型ACAP 媲美CPU...

                当博通收购高通案遭到美国总统特朗普的阻止后,下一个被华尔街分析师看准的“目标”便锁定在圣何塞芯片厂商...

                发表于 2020-12-03 10:47 ? 720次阅读
                赛灵思推出全新系列的产品类型ACAP 媲美CPU...

                xilinx FPGA bit 文件加密

                当你的项目终于做完了,到了发布的关键节点,为了防止自己的心血被别人利用,最好对产品进行bit加密。 ...

                发表于 2020-12-03 09:33 ? 342次阅读
                xilinx FPGA bit 文件加密

                赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

                Plunify Cloud 云平台为 FPGA 工程师极大地简化了使用云服务器的技术与安全要求。

                发表于 2020-12-03 08:52 ? 355次阅读
                赛灵思官方博客本周主打:云端时序收敛,高效可靠

                FPGA的几点重要总结

                FPGA编程语言为何叫硬件描述语言? 硬件即FPGA硬件,硬件描述语言,也就自然地告诉...

                发表于 2020-12-03 08:30 ? 428次阅读
                FPGA的几点重要总结

                Achronix半导体全面对接Speedcore...

                该组项目将使研究机构和公司能够使用Achronix高性能Speedcore eFPGA技术快速构建低...

                发表于 2020-12-03 08:25 ? 424次阅读
                Achronix半导体全面对接Speedcore...

                紫光国微参股科技创新型企业

                11月27日,紫光国微在互动平台表示,科创板是科技型创新企业对接资本市场的良好渠道,公司也在关注具体...

                发表于 2020-12-03 15:36 ? 718次阅读
                紫光国微参股科技创新型企业

                多模式数字控制,性能大升级

                英特尔? Enpirion? 数字 PowerSoC 经过精心的定义、设计和验证,可满足 FPGA、...

                发表于 2020-12-03 14:44 ? 339次阅读
                多模式数字控制,性能大升级

                华为携手赛灵思 展示400G以太网线卡原型

                北京时间3月21日下午消息,一场由网络供应商华为和芯片制造商赛灵思(Xilinx)上周进行的展示,标...

                发表于 2020-12-03 16:13 ? 409次阅读
                华为携手赛灵思 展示400G以太网线卡原型

                ARM崛起和后Altera时代 赛灵思的未来之路...

                英特尔和Altera传出收购消息以后,分分合合好几次。导致我买的股票上涨了5美元,我奖励自己吃了一顿...

                发表于 2020-12-03 16:05 ? 1534次阅读
                ARM崛起和后Altera时代 赛灵思的未来之路...

                GPU跃升为领头羊 以FPGA为主的英特尔也加紧...

                人工智能(AI)热潮持续攀升,AI晶片的竞争也日趋激烈,而GPU近年来可说是跃升为AI晶片领头羊。为...

                发表于 2020-12-03 16:37 ? 137次阅读
                GPU跃升为领头羊 以FPGA为主的英特尔也加紧...

                浅谈运动控制卡的功能及使用

                关于运动控制卡,其实现基于PC的界面,强大的PC功能,两者相互结合,从而使得于东控制器的能力达到了顶...

                发表于 2020-12-03 14:30 ? 609次阅读
                浅谈运动控制卡的功能及使用

                Micron和Achronix提供下一代FPGA...

                2018年11月-MicronTechnology,Inc.(纳斯达克交易代码:MU)日前宣布推出其...

                发表于 2020-12-03 17:32 ? 234次阅读
                Micron和Achronix提供下一代FPGA...

                蜂鸟FPGA开发板及蜂鸟JTAG下载器讲解说明

                perips目录主要用于存放各种外设(Peripherals)模块的Verilog RTL代码,譬如...

                发表于 2020-12-03 17:23 ? 558次阅读
                蜂鸟FPGA开发板及蜂鸟JTAG下载器讲解说明

                TMP411 ±1°C Programmable...

                TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

                发表于 2020-12-03 16:35 ? 10次阅读
                TMP411 ±1°C Programmable...

                TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...

                TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小;て荡嵘阅,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...

                发表于 2020-12-03 16:05 ? 8次阅读
                TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...