摘要：為了有效地降低逆變器負載的諧波，并且防止同一橋臂的功率放大管出現直通現象，設計了一種基于FPGA的新型數字SPWM波形產生方案。結合直接數字頻率合成技術，在FPGA內部采用硬件描述語言生成數字的正弦波和三角波，然后采用了比較的方法直接產生所需要的SPWM波形。創新性為運用了數字正弦波或三角波的平移技術產生所要求的死區，最后提出了數字方法產生SPWM波形的幾個技術難點的解決方法。
關鍵詞：FPGA；SPWM；直接數字頻率合成；死區產生

0 引言
PWM(Pulse Width Modulation)是通過調節輸出波形的脈沖寬度來改變輸出電壓大小的一種調制方法，在交流傳動、電力拖動系統和控制領域有著廣泛的用途，但采用PWM調制技術在負載上的電流波形是非正弦波，這就使負載上具有很多的高次諧波成份，對系統的指標和穩定性造成很大的危害。正弦型脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)是一種使輸出的PWM波形按正弦的規律進行變化的技術，從而大大的提高了后級功率開關器件的穩定性和系統的效率。常見的SPWM波形產生方法主要有兩種：一種是利用專門的SPWM產生芯片如TMS320 F2812來產生，這種方法的特點是一次可以產生6路或12路SPWM信號；另一種方法利用自然采樣法的原理，采用數字或模擬方法產生三角波和正弦波，再使用比較器對產生的三角波和正弦波進行比較而得到SPWM波，這種方法產生SPWM波的路數比較靈活，電路原理簡單，但具體實現比較復雜。
1971年3月，美國學者J．Tiemcy，C．M．Rader和B．Gold提出了從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理，稱之為直接數字頻率合成器(DDS)。DDS技術是一種直接數字合成方法，不需要振蕩和鎖相環節，直接將波形函數進行離散化，以時間為地址，幅度為量化數據，依次存入波形存儲器，使連續的數據流通過數／模轉換器產生需要的波形。本文利用FPGA內部的DDS模塊產生離散化的正弦波和三角波，進而產生數字的SPWM波形，再經過死區產生、脈沖消去處理后就得到了可以驅動后級功率放大管的驅動信號，利用該方法可以靈活的產生所需的任意調制比和載波比的SPWM波形，并且可以使負載上諧波含量大大減小，有效的保證了整個系統的穩定性。

1 SPWM波形的FPGA實現
根據SPWM自然采樣法的原理，產生適合逆變器功率放大管所需的SPWM信號的電路主要包括正弦波產生模塊、三角波產生模塊、比較和死區產生模塊和脈沖消去模塊，它們之間的關系如圖1所示。

正弦波產生模塊根據主控制器傳來的頻率控制字從ROM表中讀出相應的正弦波的離散值，同樣，三角波產生模塊根據頻率控制字從存儲三角波的ROM表中讀出三角波的離散值，比較器和死區產生模塊根據傳來的正弦波和三角波的離散值進行比較，直接進行比較產生上橋臂驅動信號，將正弦波離散值或三角波離散值加上一個特定的值或減去一個特定值再和三角波進行比較，產生上橋臂對應的下橋臂驅動信號，這時產生的信號已經是帶死區的SPWM信號，再經過脈沖消去模塊，消去功率器件來不及反應的窄的驅動信號，最后就可以得到直接驅動逆變器的一對SPWM信號。
1．1 波形產生模塊
DDS技術是一種全數字的頻率合成技術，是將已知的信號經過取樣、量化，形成可供查詢的數據表存于數據ROM中，通過改變頻率控制字來改變輸出所需頻率的一種技術。如圖2所示，DDS主要由頻率控制字、累加器、相位寄存器、時鐘源、加法器、相位控制字、波形查找表、DAC和LPF等模塊組成。但因本設計不需要模擬信號，直接使用其中的數字信號，故不需要DAC和LPF模塊，全部在FPGA內部數字化實現。數字三角波的產生和數字正弦波的產生一樣，惟一不同就是在波形表中用量化后的三角波數據代替正弦波數據。

DDS的FPGA實現非常簡單，波形存儲器直接調用芯片的ROM模塊，先把正弦信號量化，為了精確，這里采用一個周期量化2 048個點，用Madab編寫正弦波和三角波的量化程序，按照FPGA的mif文件編寫格式，處理后再復制到記事本中加上表頭和結尾，保存為mif格式后，在ROM模塊中初始化指向這個文件即可。從波形查找表中讀出的數字正弦值信號就可以作為比較器和死區產生模塊的輸入了。數字三角波模塊和正弦波模塊生成的方法相同，不再贅述。