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隨著現(xiàn)代工業(yè)的要求和微電子技術(shù)的進(jìn)步，交流傳動(dòng)已經(jīng)迅速地從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，其中PWM技術(shù)與方法是其核心內(nèi)容。但數(shù)字化PWM電路一直是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，除了集成三相PWM發(fā)生器的80C196MC、TMS320F240等微處理器外，均采用中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)三相PWM，這是非常復(fù)雜的?往往使電路復(fù)雜、可靠性差。本文介紹了一種用單片大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)的三相PWM發(fā)生器，它具有三相脈沖中心對(duì)稱、PWM周期和死區(qū)時(shí)間可編程等特點(diǎn)，且性能優(yōu)異、靈活性和可靠性高。 1 基本原理 本設(shè)計(jì)的目的是產(chǎn)生三相逆變器的PWM信號(hào)波形。圖1是用FPGA實(shí)現(xiàn)的PWM部分設(shè)計(jì)框圖，它主要由脈寬寄存器、緩沖寄存器、周期寄存器、死區(qū)寄存器、死區(qū)發(fā)生器、數(shù)值比較器、控制邏輯等幾部分構(gòu)成。脈寬寄存器，決定三相PWM信號(hào)的脈寬；緩沖寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬數(shù)據(jù)的雙緩沖；周期寄存器，決定PWM的斬波周期；死區(qū)寄存器，決定上下橋臂的死區(qū)時(shí)間。脈寬寄存器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中由微處理器更新一次，其輸出數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖以后與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)值比較，得到三相PWM信號(hào)PA、PB、PC。再經(jīng)過(guò)死區(qū)電路處理，最后產(chǎn)生6個(gè)中心對(duì)稱的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三相逆變器的6個(gè)功率器件。PWM算法可采用SPWM?正弦PWM 或者SVPWM?空間矢量PWM。 FPGA中的基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器，用來(lái)產(chǎn)生類似模擬電路中的三角波基準(zhǔn)，是一個(gè)最小計(jì)數(shù)值為0、最大計(jì)數(shù)值為周期寄存器中保存的數(shù)值、計(jì)數(shù)方向交替變化的可逆計(jì)數(shù)器。基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器單元在最大計(jì)數(shù)值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)SYN，當(dāng)它有效時(shí)將三個(gè)脈寬寄存器的數(shù)據(jù)存入各自的緩沖寄存器，實(shí)現(xiàn)雙緩沖，使三個(gè)脈寬寄存器在SYN無(wú)效時(shí)可依次由微處理器更新而不影響最終的三相同步關(guān)系。同時(shí)基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器單元產(chǎn)生一個(gè)方向信號(hào)DIR，可作為微處理器的外部中斷源(邊緣觸發(fā)方式)，在PWM開(kāi)關(guān)周期的起始點(diǎn)產(chǎn)生中斷。 微處理器軟件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，在初始化階段設(shè)置好周期寄存器、死區(qū)寄存器，以后只需在PWM中斷服務(wù)程序中將計(jì)算好的三相脈寬數(shù)據(jù)分別送到各自的脈寬寄存器，然后退出中斷服務(wù)程序，等待控制器在SYN脈沖控制下將三個(gè)脈寬寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到各自的緩沖寄存器中。在下一個(gè)PWM周期中輸出相應(yīng)的脈沖，同時(shí)中斷被觸發(fā)，便開(kāi)始了下一個(gè)PWM中斷服務(wù)程序。程序要求PWM中斷服務(wù)程序運(yùn)行時(shí)間小于PWM周期，由此決定了PWM最高運(yùn)行頻率。圖2為PWM波形圖。 2 內(nèi)部設(shè)計(jì) 以A相為例，基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器由加減計(jì)數(shù)器構(gòu)成。加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)交替執(zhí)行，計(jì)數(shù)周期由周期寄存器決定，DIR指示計(jì)數(shù)方向，同步信號(hào)SYN用來(lái)加載Ａ相緩沖器。PA是緩沖器與基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的數(shù)值比較結(jié)果，死區(qū)發(fā)生器由死區(qū)計(jì)數(shù)器和一些組合邏輯組成，使同相的上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)死區(qū)時(shí)間，防止功率器件短路。死區(qū)時(shí)間由死區(qū)寄存器決定，最后輸出A相上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)AH和AL。 死區(qū)計(jì)數(shù)器采用飽和計(jì)數(shù)器，飽和計(jì)數(shù)器的特性類似于電容的充放電過(guò)程，規(guī)則為： (1)當(dāng)輸入為0時(shí)，如果計(jì)數(shù)值等于0，則計(jì)數(shù)值保持不變，否則作減1計(jì)數(shù)； (2)當(dāng)輸入為1時(shí)，如果計(jì)數(shù)值等于max，則計(jì)數(shù)值保持不變，否則作加1計(jì)數(shù)； (3)當(dāng)輸入為1且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為max時(shí)， AL＝0?AH＝1?上橋臂導(dǎo)通； (4)當(dāng)輸入為0且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值為0時(shí)，AL＝1?AH＝0?下橋臂導(dǎo)通； (5)當(dāng)死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值在0~max之間時(shí)，AL＝0? AH＝0?上下橋臂都截止，形成死區(qū)。 其中，max等于死區(qū)寄存器的數(shù)值。 周期寄存器和脈寬寄存器為14位，死區(qū)寄存器為8位，在20MHz時(shí)鐘下，開(kāi)關(guān)頻率為610Hz~10MHz? 死區(qū)時(shí)間為0~12.8μs，脈沖分辨率為50ns。 FPGA采用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面給出死區(qū)發(fā)生器的VHDL設(shè)計(jì)： 3 試驗(yàn)與結(jié)論 FPGA采用ACTEL公司反熔絲工藝的42MX16? 應(yīng)用在所研制的交流主軸驅(qū)動(dòng)器中，圖3是其6個(gè)基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。在實(shí)際應(yīng)用中，除PWM外，在同一片F(xiàn)PGA中還設(shè)計(jì)了光電編碼器計(jì)數(shù)單元、輸入脈沖計(jì)數(shù)器、I/O接口、保護(hù)電路、譯碼器等全部外圍數(shù)字邏輯電路，它與DSP、A/D芯片和接口電路構(gòu)成非常簡(jiǎn)潔的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制部分。采用FGPA構(gòu)成三相PWM發(fā)生器的方案，具有低成本、高靈活性、高集成度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。 |
