基于FPGA的SPWM 设计

一、基础理论方面

   1）PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的简称，它在自动控制和计算机技术领域中都有广泛的应用。PWM调制原理 ---------PWM 波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。

     正弦脉宽调制(SPWM)技术在交流调速系统中得到广泛应用,但SPWM的波形生成是应用中一个难点,目前形成SPWM的方法有:(1)由分立元件构成,结构简单,但可靠性和精度均不能满足要求;(2)采用计算机计算或查表方式,省却了硬件电路,但CPU负担很重; (3)采用专用集成电路,如SLE4520、SA4828等,但其功能固定,可扩展性差;(4)采用FPGA(现场可编门阵列),具有速度快、精度高且可以在线编程修改等优点,是一种较好的方案。 

     实现SPWM原理；用输出的正弦信号作为调制波,用高频三角波作为载波.。

     SPWM就是在对一个正弦波进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来排列。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也较小，而脉冲间的间隔则较

 正弦波的峰值电压与三角波峰值电压之比，通常称为SPWM的模

令三角波频率与正弦波频率之比为载波比，载波比越大，产生的SPWM波的“精度”上越高。

SPWM波的具体理论和实现方法还是比较多的，这方面没有深入研究，仅想说明，笔者，也就我呢，是根据对称规则采样方法实现的。

二、基于FPGA的实现简易SPWM波的生成-------顶层文件的代码说明

   module spwm(

            clock,key,

            A_Data,B_Data,C_Data,

            tri_q,da_clk,flag,led,

            SPWM_A,SPWM_B,SPWM_C

           );

input clock;  //系统时钟

input   key;// 按键频率控制

output reg  [7:0] A_Data,B_Data,C_Data;//三相正弦表格输出值，SignalTap调试中查看数据

output    [8:0] tri_q;   //DA数据输出

output   da_clk;  //DA时钟输出

output    flag,led;

output   SPWM_A ,SPWM_B,SPWM_C;//对外输出的相移120的正弦脉宽调制信号

wire tri_clk,tri_updn;//可逆计数器的时钟和计数方向（用于控制三角波的生成）

wire [31:0]fword;

int_div div (.clock(clock),

             .clk_out(da_clk));//该部分主要是在SignalTap调试中使用的采样时钟

//调用DDS模块：按键模块控制频率控制字fword，生成三路相位120度的“数字”正弦信号，并且产生控制可逆计数器的使能计数时钟和方向信号。主要技术参数是：一个正弦波周期采样样本数据个数1024（波形ROM表格深度）

dds dds(             

.clock(clock),      

.fword(fword),

.A_data(A_Data),

.B_data(B_Data),

.C_data(C_Data),

.clk1(tri_updn),

.clk512(tri_clk)     

);

//调用三角波模块：可逆计数器的实现产生三角波（能在每输出一个正弦值的时候产生一个三角波），与DDS产生的正弦数据值进行比较，产生SPWM波

cnt Tri(

.clk(tri_clk),

.A_data(A_Data),

.B_data(B_Data),

.C_data(C_Data),

.updn(tri_updn),

.q(tri_q),

.flag(flag),

.SPWM_A(SPWM_A),

.SPWM_B(SPWM_B),

.SPWM_C(SPWM_C),

        );

//按键控制频率模块

key_debounce  fre_control(

         .clock(clock),

        .key(key),

        .fword(fword),

         .led(led)//按键指示灯

                 );

Endmodule

2）实际中体会

  第一，DDS模块是一个比较常用的用数字方式实现模拟信号的方法，以前一直只用了频率控制，这一次还通过深入理解用上了相位控制，从这个角度来讲，可以用FPGA小菜一碟的实现频率和相位可控的多通道SPWM波，然后再去外加上RC滤波电路和运放电路就可以实现可控正弦波。

  第二，这里的DDS模块还有产生一个可逆计数器的计数使能时钟和方向控制时钟，需要具体说说的是，如果你输出的正弦值是8位的，那么你的计数器的计数范围是在0---255---0，如果你输出的正弦值是9位的，那么你的计数器的计数范围是在0---511---0。还有，每此计数变化后（一个“数字”三角波产生），DDS中只输出一个正弦值，进行比较。

  第三、不可小觑饿三角波的生成。这个所谓的SPWM的载波，是在实现中最让我花费心思的地方。

   三角波生成代码：

   always @(negedge clk ) 

    begin 

        if(!updn) begin

             counter =counter+1'b1;

             if(counter ==9'd255)  counter2=9'd256;

             q = counter;     end

       else  begin

              counter2 =counter2-1'b1;

             if(counter2 ==9'd0)  counter=-9'd1;

              q = counter2;  end

       flag =updn;

   end

  上述代码是在反复调试过程中遇到问题后写出的，谈不上写得很好，毕竟自己只是FPGA的菜鸟级人物，但是还是比较理想的生成所需波形。

   第四、在SPWM波生成以后，外接RC滤波电路，这里的目的呢，是滤掉高频信号，到“平滑”信号,这里的电容和电阻取得小些。再加上LM358小搭一个同相比例放大器，实现一个真正的“有源”信号输出和幅值控制。