朱超，劉偉

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于FPGA改進型正弦波逆變器的設計

朱超，劉偉

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于FPGA實時生成正弦波的目的，采用了以Xilinx公司的Zynq-7系列FPGA芯片ZedBorad作為控制器，并且結合DDS技術的方法。通過使用Xilinx公司提供的Xilinx Design Tools中的System Generator工具，調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，下載到FPGA中，產(chǎn)生雙極性SPWM波的試驗。實驗結果表明，此方法設計簡單，控制靈活，波形穩(wěn)定，不失真，具有很強的實用價值。

FPGA；正弦波；DDS；SPWM

逆變器的功能是把直流電轉變成交流電，它由逆變橋，SPWM波模塊，驅動模塊和濾波電路組成。其中SPWM逆變電路是產(chǎn)生純正正弦波的關鍵[1]，SPWM波模塊產(chǎn)生一直是研究的熱點。PWM（Pulase Width Modulation）就是脈沖寬度調制技術，也就是占空比可變的脈沖波形。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，來等效地獲取所需要的波形。在進行脈寬調制的時候，如果使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律來安排，則輸出電壓經(jīng)過濾波可以得到正弦波形，同時使得負載電流中的諧波成分大為減小，稱之為正弦波脈寬調制（SPWM）[2]。

在生成SPWM波過程中，DDS（俗稱直接數(shù)字頻率合成）技術被廣泛使用。通過DDS技術，輔以相應的軟硬件平臺，可以生成多種波形。比如三角波，鋸齒波，正弦波和矩形波等等。采用DDS技術作為信號源，使其超越了以傳統(tǒng)模擬方式的信號源，實現(xiàn)了數(shù)字技術的飛速發(fā)展。函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常是采用分立元件或單片專用集成芯片，但其頻率不高，穩(wěn)定性較差，且不易調試，開發(fā)和使用上都受到較大限制[3]。隨著可編程邏輯器件（FPGA）的不斷發(fā)展，直接頻率合成（DDS）技術應用的愈加成熟[4]，基于FPGA（Field－Progra mmable Gate Array簡稱FPGA[5]）的信號發(fā)生器，采用DDS原理產(chǎn)生的信號發(fā)生器與基于專用的DDS芯片信號發(fā)生器相比，實現(xiàn)更簡單靈活，成本更低，并且輔以FPGA的可編程能力，自定義模塊，大大豐富了DDS技術應用與發(fā)展。

本設計將采用調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)模塊，搭建Matlab模型，進行在線仿真，并可生成FPGA的IP核（intellectual property core全稱知識產(chǎn)權核），在SDK中生成SPWM模塊的接口函數(shù)，使得許多復雜自定義的模塊都有了新的實現(xiàn)方法。本文研究了基于FPGA正弦波逆變器設計，以改進的DDS技術以及新的實現(xiàn)方法，調制SPWM波，完成正弦波的輸出。實驗驗證，該方案可以實現(xiàn)預定指標的正弦波的輸出。

1　技術基礎

本設計中逆變器系統(tǒng)，主要包括了FPGA主控制電路，逆變驅動電路，單相全橋逆變電路，輸出濾波電路以及采樣電路等。FPGA作為主控制芯片，輸出SPWM信號，逆變電路完成直流到交流的轉換，濾波后得到光滑的正弦波信號，同時通過采樣電路，實時對正弦波信號進行修正，完成輸出符合要求的正弦波。

1.1 SPWM技術的原理

面積等效原理，即使面積相等但形狀不同的窄脈沖輸入經(jīng)過具有慣性的環(huán)節(jié)，即可輸出基本相同的相應波形。正弦脈寬調制法（簡稱SPWM）即是根據(jù)面積等效原理，將正弦波用脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化的一系列矩形脈沖等效實現(xiàn)，當正弦波和三角波自然相交點生成的即是脈沖序列的寬度。SPWM控制的方法有計算法和調制法兩種，由于計算法過程復雜繁瑣，所以通常我們采用調制法。在調制法中，如果需輸出SPWM波信號，通常采用用等腰三角波作為載波，調制信號選擇正弦波信號，在電路中以載波和正弦波的交點時刻對開關管的進行開通與關斷，通過改變調制波的幅值、相位和頻率即可方便的改變輸出波的幅值、相位和頻率[6]。

文中主要針對單相逆變電路進行設計，采用H橋拓撲結構，以四路互補帶死區(qū)的SPWM波驅動逆變器。SPWM調制技術分為單極性SPWM控制和雙極性SPWM控制。單極性SPWM控制的主要優(yōu)點是兩只功率管在一個開關周期之內以較高的頻率按照正弦變化的占空比切換互補開關，從而得到理想的正弦輸出電壓。但單極性調制波形在驅動開關管時，切換工作方式，會造成過零點失真現(xiàn)象[7]。而雙極性SPWM由于4個功率管都同時工作在較高頻率，其完全對稱的工作方式，從而很好的解決了過零點失真現(xiàn)象，故本設計采用雙極性SPWM控制。

1.2DDS技術原理

最初的DDS從相位概念出發(fā)直接合成所需波形，是一種全數(shù)字化的頻率合成技術。典型的DDS系統(tǒng)由相位控制寄存器、頻率控制寄存器、地址發(fā)生器、波形查找表（ROM/RAM）、D/A轉換器和低通濾波器（LPF）組成[8]。其原理是在把在存儲單元中的數(shù)據(jù)點，以控制電路為輔，可變的速率協(xié)調下，將波形傳遞給后級的硬件電路。而本文基于FPGA全部數(shù)字化的設計，省去D/A轉換器和低通濾波器，也可達到輸出正弦波的效果。如圖1所示，DDS產(chǎn)生SPWM波原理框圖。

圖1　DDS產(chǎn)生SPWM波原理框圖

2　基于FPGA的系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)SPWM的產(chǎn)生原理，SPWM電路主要包括正弦波產(chǎn)生模塊、載波發(fā)生器模塊、調制波與載波比較模塊和死區(qū)模塊等 4部分組成[19]。在正弦波產(chǎn)生模塊中通過 CLK時鐘信號作用下，從波形查找表ROM中讀取正弦信號值，再與輸入的幅度字相乘，得出正弦波模塊的輸出值。同理載波發(fā)生器模塊在CLK時鐘信號作用下，通過計數(shù)器發(fā)出三角載波幅值。將二者的輸出值在比較模塊中進行比較，經(jīng)過死區(qū)模塊處理后，即可得到SPWM波信號。只需要將FPGA產(chǎn)生的SPWM波送入硬件驅動模塊，驅動逆變器的功率開關管，即可完成逆變過程。在此過程中，改變正弦波產(chǎn)生模塊的頻率字和振幅字，就可以靈活的控制逆變電壓的頻率和幅值。

2.1正弦波產(chǎn)生模塊

本設計使用 Xilinx公司提供的 Xilinx Design Tools中的System Generator工具，調用啟動Matlab，從而調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，在Matlab中完成設計與仿真。在MATLAB中搭建正弦波產(chǎn)生模塊，如圖2所示，pword_sin為相位字，fword_sin為頻率字，aword_sin_zhenfu為振幅字。相當于在n位的尋址ROM/RAM中把0～2π的正弦信號離散成具有2^n個樣值的序列，以二進制數(shù)值形式存儲在2^n個地址單元[10]。DDS系統(tǒng)的核心是地址發(fā)生器，當正弦波產(chǎn)生模塊在CLK系統(tǒng)時鐘下，它由加法器和地址存儲器組成，用來產(chǎn)生存儲在片內ROM中的正弦數(shù)據(jù)的地址。經(jīng)pword_sin字和fword_sin字的累加器相加后，送入16位的ROM地址發(fā)生器，后與振幅字aword_sin_zhenfu字相乘后得到正弦信號幅值。在這里，ROM地址發(fā)生器Depth設置65536，步長選擇2*pi/2＾16，Initial value vector設置sin（0：2*pi/2＾16：2*pi。波形查找表通過IP核生成器調用block RAM，ROM中存放著正弦函數(shù)y=sin一個完整周期 （0～2π）的65536個等間隔取值，用來表示取值為16位的數(shù)據(jù)位寬。

圖2　正弦波產(chǎn)生模塊

2.2三角波產(chǎn)生模塊

傳統(tǒng)的DDS技術，用正弦波做基波，使用三角波作為載波，三角波通常不需要改變，通過基波與三角波的相交點，確定SPWM波的寬窄。而本設計中，為了滿足多種需求，在設計三角波產(chǎn)生模塊時，也設計成和正弦波產(chǎn)生模塊一樣，具有頻率字和振幅字，改變頻率字和振幅字即可得出需要的三角波。在這里ROM地址發(fā)生器Depth設置65536，y=sawtooth（pi*（0：65535）/32768，0.5），波形查找表在（0～2π）的65536個等間隔取值，用來表示取值為16位的數(shù)據(jù)位寬。這樣產(chǎn)生的三角波，靈活性高，調制也更簡單。

2.3調制波與載波的比較模塊

正弦調制波的輸出信號與載波的輸出信號，送入調制波與載波的比較模塊進行比較，得出比較信號PWM波。在此比較模塊中，如圖3所示，加入了死區(qū)控制功能，給定死區(qū)siqu_in的輸入值，即可改變死區(qū)的大小。該方法省去了專用的死區(qū)模塊。同時加入了PWM輸出控制功能，通過二輸入與門控制PWM波的輸出。只有pwm_switch_in端口輸入為1（高電平）時，才會有PWM波輸出。

圖3　調制波與載波的比較模塊

3　系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

3.1逆變電路

文中設計的單相全橋逆變電路，主回路選擇H橋拓撲結構，如圖4所示，主電路拓撲結構圖。Q1～Q4為MOSFET開關管，型號為IRF3710，其最大電壓為100 V，最大電流57 A。IRF3710開關管為電壓驅動型，驅動設計簡單，導通關斷快，導通電阻比較小，并且可以降低開關損耗，提高逆變效率。

3.2驅動電路

在逆變電路設計中，驅動電路尤為重要，是整個逆變電路的核心。在此設計中，驅動電路包含光耦隔離和驅動電路。當四路SPWM波輸出經(jīng)兩片光耦隔離后，輸入到兩片專用驅動芯片，輸出帶驅動能力強的SPWM波，送入逆變橋功率開關器件。隔離電路采用雙通道HCPL-2630芯片，實現(xiàn)電壓隔離。驅動芯片采用高性能的專用芯片IR2410，并且IR2410具有雙通道，驅動能力強，高壓高速的電壓驅動型開關管。如圖5所示，為驅動電路。

圖4　主電路拓撲結構圖

圖5　驅動電路圖

4　系統(tǒng)仿真

FPGA是Xilinx的公司Zyqn 7000系列，Xilinx Design Tools帶有開發(fā)工具，主要包含Vivado，SDk，System Generator以及HLS（高級綜合）等工具。其中Vivado主要生成底層硬件BitStream，導入到SDk中并編寫應用測試代碼。而System Generator和HLS通過調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，生成FPGA的所需的IP核，添加到工程中，使用靈活，資源豐富。

根據(jù)上述原理，利用 System Generator工具，調用Simulink庫中Xilinx開發(fā)的模塊，搭建產(chǎn)生SPWM的DDS模型，并搭建逆變器仿真模型，進行產(chǎn)生正弦波的驗證，仿真證明該方案簡便，可行。將驗證可行的Xilinx開發(fā)模塊，利用SDK生成FPGA的IP核，從而導入到工程中。模塊會自動生成輸入輸出的接口函數(shù)，只需按照設計要求填充函數(shù)參數(shù)，即可達到設計要求。如圖6所示，為SPWM仿真模型。

通過建立Matlab模型后，輸出四路互補帶有死區(qū)的SPWM波。仿真中，輸入相應的參數(shù)，輸出四路互補的SPWM波，改變相應的頻率字，相位字等，即可輸出所要求的正弦波，如圖7所示，四路帶死區(qū)SPWM波。

圖6　SPWM仿真模型

圖7　四路帶死區(qū)SPWM波

當仿真驗證后，通過System Generator工具生成IP核，導入SDK中工程中即可得到相應的函數(shù)接口，在程序中填充函數(shù)參數(shù)，即可得到實際輸出的正弦波。

5　實驗結果及分析

實驗得出，根據(jù)以上各模塊設計方案，以System Generator工具生成IP核進行電路設計，以Xilinx公司的設計軟件Xilinx Design Tools作為設計平臺，在SDk中進行編程，實現(xiàn)改進型改進型正弦波逆變器的設計。實驗波形如圖8所示，為設定頻率為50 Hz，輸出的電流有效值約1 A，帶阻性負載的輸出波形。此種設計，波形畸變小、曲線平滑，諧波分量低，對稱性好，失真度小于2%。經(jīng)過系統(tǒng)的驗證以及硬件調試，驗證了基于FPGA改進型正弦波逆變器的設計可行性，該方法具有一定的應用價值。

圖8　輸出的實驗波形

6　結束語

文中主要介紹了以DDS技術的工作原理和設計過程，并結合FPGA強大的可編程能力，在實驗平臺上。實現(xiàn)了正弦波信號發(fā)生器。系統(tǒng)軟件可在SDK下編寫代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制等功能，然后通過Xilinx Tools中Program FPGA在線調試，或者可以直接通過Program Flash，下載到FPGA中。隨著FPGA可編程能力不斷提高，基于FPGA平臺開發(fā)信號發(fā)生器將逐步走向標準化、規(guī)模化和產(chǎn)品化[11]。FPGA強大的數(shù)據(jù)處理能力以及可編程能力、并且具有編程靈活，運行速率快等優(yōu)點，在合理整合IP核資源和SOPC技術，簡化設計結構，一定可以設計出功能多樣、性能更加出色的信號發(fā)生器[12]。

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Design of modified sine wave inverter based on FPGA

ZHU Chao，LIU Wei
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

The purpose of real-time generate sine wave based on FPGA，Using Xilinx company Zynq ZedBorad-7 series FPGA chip as a controller method，and combined the technology of DDS.By using Xilinx company Xilinx Design Tools in the System the Generator tool，called Simulink library in Xilinx development module.The test is downloaded to the FPGA，creating a bipolar SPWM wave.The experimental results show that this method is simple in design，flexible control，and waveform is

stable，no distortion，has a strong practical value.

FPGA；sine wave；DDS；SPWM

TN914

A

1674－6236（2016）21-0162-05

2015-10-20稿件編號：201510135

朱 超（1990—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：控制工程。