收稿日期：2023-04-14

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.013

摘" 要：針對(duì)電力電子領(lǐng)域?qū)φ颐}沖寬度調(diào)制波形的需求，基于西安智多晶微電子生產(chǎn)的SA5Z系列國(guó)產(chǎn)FPGA平臺(tái)，提出一種由Cortex-M3內(nèi)核通過(guò)AHB總線控制的單極性倍頻SPWM調(diào)制IP核，其內(nèi)部具有三角波發(fā)生器與正弦波發(fā)生器，通過(guò)數(shù)字化自然采樣法比較基波與載波生成的SPWM波形，并在波形中插入死區(qū)后生成互補(bǔ)波形輸出。通過(guò)ModelSim軟件仿真了IP核內(nèi)部運(yùn)行狀況，采用示波器觀測(cè)了實(shí)際輸出信號(hào)。分析、測(cè)試表明該IP核效果良好，可以通過(guò)配置相關(guān)寄存器靈活地輸出帶有死區(qū)、互補(bǔ)輸出的單極性倍頻SPWM波形，體現(xiàn)出FPGA在電源控制領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螛O性倍頻SPWM；國(guó)產(chǎn)FPGA；AHB總線

中圖分類(lèi)號(hào)：TN79+1" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：2096-4706（2023）21-0054-05

Design of IP Core for Unipolar Double-frequency SPWM Generator Based on AHB Bus

RUI Tianzhe， ZENG Qingli， HE Zhongtian

（School of Communication and Electronic Engineering， Jishou University， Jishou" 416000， China）

Abstract： To meet the demand for sinusoidal pulse width modulation waveform in the field of power electronics， based on the SA5Z series domestic FPGA platform produced by XIAN Intelligence Silicon Technology， a unipolar double-frequency SPWM modulation IP core controlled by Cortex-M3 core through AHB bus is proposed. The proposed IP core has triangle wave generator and a sine wave generator. Compare the SPWM waveforms generated by the fundamental wave and carrier wave using digital natural sampling method， and insert a dead band into the waveform to generate complementary waveform output. The internal operation of the IP core is simulated by ModelSim software， and the actual output signal is observed by oscilloscopes. Analysis and testing have shown that the IP core performs well and can flexibly output unipolar double- frequency SPWM waveforms with dead band and complementary outputs by configuring relevant registers， reflecting the advantages of FPGA in the field of power control.

Keywords： unipolar double-frequency SPWM; domestic FPGA; AHB bus

0" 引" 言

作為電源的重要組成部分，逆變電路被廣泛運(yùn)用于光伏發(fā)電、汽車(chē)電子等領(lǐng)域中。根據(jù)輸出波形不同，逆變器可分為方波逆變器、修正正弦波逆變器、正弦波逆變器。方波逆變器與修正正弦波逆變器可以為阻性負(fù)載提供交流電源，但由于電壓變化率大且輸出存在高次諧波分量，方波與修正正弦波逆變器不適用于感性、容性負(fù)載或?qū)﹄娫粗C波敏感的負(fù)載。正弦波逆變器的輸出波形諧波分量較低，轉(zhuǎn)換效率高，不容易引起諧波震蕩，整體性能較好。

正弦波逆變器普遍使用SPWM技術(shù)，利用面積相等的方波控制功率器件產(chǎn)生正弦波形。使用微控制器生成SPWM波形需要CPU的積極參與，靈活性較差。將IP核作為外設(shè)掛載在總線上，通過(guò)CPU控制外設(shè)的形式生成SPWM波形，無(wú)須CPU參與計(jì)算，可降低CPU負(fù)載、提高輸出波形精度與靈活性。

逆變電路需要后級(jí)濾波電路濾除高次諧波，濾波電路的體積與逆變器輸出的SPWM波形頻率成反比，然而SPWM波形的頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致功率器件開(kāi)通損耗增加。本文提出的IP核輸出單極性倍頻SPWM波形，在功率器件開(kāi)關(guān)頻率不變的基礎(chǔ)上提高SPWM波形電壓脈動(dòng)頻率。

本文提出的IP核基于西安智多晶微電子生產(chǎn)的SA5Z-30-D1平臺(tái)，該平臺(tái)內(nèi)部集成有ARM Cortex-M3嵌入式硬核處理器。Cortex-M3內(nèi)核采用AHB總線通信，將IP核作為從機(jī)掛載在AHB總線上，由硬核處理器通過(guò)總線配置IP核的各個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)波形輸出。

1" 單極性倍頻SPWM工作原理

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同[1]。這表明占空比隨正弦規(guī)律變化的PWM波形，在一定條件下可代替正弦波。

常見(jiàn)的SPWM調(diào)制方法包括自然采樣、對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣、不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣等方法。自然采樣法是目前最好的一種SPWM實(shí)現(xiàn)方法，但在微控制器內(nèi)使用指令運(yùn)算時(shí)計(jì)算量較大，難以實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。數(shù)字化自然采樣法是用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)自然采樣法的方法，其效果逼近自然采樣法[2]。

對(duì)于單相電壓型正弦波無(wú)源逆變器，可采用三種SPWM調(diào)制方案，即單極性SPWM調(diào)制、雙極性SPWM調(diào)制以及倍頻單極性SPWM調(diào)制[3]。雙極性SPWM在正弦基波的半個(gè)周期內(nèi)同時(shí)包含正、負(fù)極性，單極性SPWM在正弦基波的半個(gè)周期內(nèi)僅包含正極性或負(fù)極性。對(duì)于全橋逆變電路，單極性SPWM工作時(shí)有50%的功率器件處于高頻狀態(tài)，而雙極性SPWM工作時(shí)功率器件全部處于高頻狀態(tài)。與雙極性SPWM相比，單極性SPWM工作時(shí)功率管開(kāi)通損耗較低。單極性SPWM后又衍生出單極性倍頻SPWM，逆變器輸出電壓脈沖的頻率是載波頻率的兩倍、并且輸出脈沖具有單極性特征[3]。

以50 Hz基頻、20 kHz開(kāi)關(guān)頻率為例，將生成的單極性SPWM與單極性倍頻SPWM分別進(jìn)行傅里葉變換，得到的高次諧波頻率與幅值如圖1所示。

為了獲取更低的諧波值，SPWM方法需要開(kāi)關(guān)的高頻運(yùn)行，但這樣增加了開(kāi)關(guān)損耗，且溫度升高，對(duì)系統(tǒng)造成安全問(wèn)題[4]。在基波與開(kāi)關(guān)頻率不變的情況下，單極性倍頻SPWM的最低階高次諧波比單極性SPWM的最低階高次諧波高一倍，逆變電路中后級(jí)LC濾波電路的電容值、電感值可相應(yīng)減少，有效降低電路體積與成本。

自然采樣法生成單極性倍頻SPWM原理如圖2所示，將正弦基波A與兩路幅值相同、相位相差180度的三角載波B、C比較，在正弦波與三角波的自然交點(diǎn)處切換輸出。若正弦基波A的幅值大于三角載波B，則SPWMA輸出高電平；若正弦基波A的幅值大于三角載波C，則SPWMB輸出高電平。SPWM信號(hào)控制逆變電路中的功率器件運(yùn)行，輸出波形經(jīng)后級(jí)LC濾波電路濾除高次諧波后即為正弦波輸出。

2" AHB總線介紹

AHB總線是ARM公司提出的先進(jìn)微控制器總線體系結(jié)構(gòu)（AMBA）中規(guī)定的一種高性能總線，支持多主多從操作，主機(jī)通常包括處理器、DMA，從機(jī)包括各類(lèi)對(duì)性能要求較高的外設(shè)、AHB-APB橋等。AHB總線尋址空間為32位，數(shù)據(jù)位寬最高支持128位，但常見(jiàn)的數(shù)據(jù)寬度為32位。AHB總線同一時(shí)刻只允許一個(gè)主機(jī)占用，所有主機(jī)都輸出地址和控制信號(hào)，由仲裁器按一定的算法決定當(dāng)前占用總線的主機(jī)。當(dāng)主機(jī)得到總線授權(quán)后，譯碼器會(huì)根據(jù)主機(jī)發(fā)出的地址選擇要與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的從機(jī)，從而完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸[5]。本設(shè)計(jì)中涉及的AHB信號(hào)如表1所示。

AHB總線傳輸時(shí)序如圖3所示。AHB總線的基本傳輸包含了地址階段和數(shù)據(jù)階段。地址階段中主設(shè)備發(fā)出HADDR和HWRITE等控制信號(hào)，由于本階段僅維持一個(gè)時(shí)鐘周期，因此從設(shè)備必須在此期間完成信號(hào)采樣。為減少亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)，AHB總線的讀寫(xiě)狀態(tài)分開(kāi)進(jìn)行[6]。AHB總線采用流水線作業(yè)，地址階段與上一個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)階段重合以提高數(shù)據(jù)吞吐量。在數(shù)據(jù)階段，若AHB Slave的HREADY信號(hào)為低電平，則數(shù)據(jù)階段需延長(zhǎng)直至AHB Slave的HREADY信號(hào)輸出高電平。

3" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" IP核總體設(shè)計(jì)

IP核采用模塊化設(shè)計(jì)，具體分布如圖4所示。

寄存器配置模塊實(shí)現(xiàn)AHB Slave接口，Cortex-M3內(nèi)核可通過(guò)AHB總線與其通信，讀寫(xiě)寄存器組。三角波發(fā)生器模塊讀取寄存器組中的相位、頻率配置，生成相應(yīng)的三角波。正弦波發(fā)生器模塊讀取寄存器組中的配置，生成地址信息，通過(guò)查找表輸出正弦波。比較輸出模塊比較兩路三角波與一路正弦波，通過(guò)自然采樣法輸出兩路SPWM波形。死區(qū)、互補(bǔ)生成模塊讀取死區(qū)長(zhǎng)度配置，向兩路SPWM波形中插入死區(qū)并生成互補(bǔ)波形，形成四路SPWM輸出。

3.2" 寄存器配置模塊

寄存器配置模塊實(shí)現(xiàn)AHB Slave接口，ARM Cortex-M3硬核處理器通過(guò)AHB總線與其通信。寄存器配置模塊根據(jù)AHB Master的指令將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器組，或讀取寄存器組中的數(shù)據(jù)發(fā)送給AHB Master。寄存器組中各寄存器地址、名稱(chēng)、說(shuō)明如表2所示。

3.3" 數(shù)字波形發(fā)生器

數(shù)字波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖5所示。三角波發(fā)生器利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，在模塊運(yùn)行前裝入SAW_PHASEx（x為1或2，下同）中的初相位值。模塊啟動(dòng)前，計(jì)數(shù)器裝入SAW_PHASEx中的初相位值；之后每個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器增加SAW_FACTORx中的自增值。若計(jì)數(shù)器大于SAW_MAX中的最大值，則計(jì)數(shù)器重置為0。

圖5" 數(shù)字波形發(fā)生器示意圖

正弦波發(fā)生器采用查找表實(shí)現(xiàn)，將一個(gè)周期的連續(xù)正弦波離散成平均分布的1 024個(gè)點(diǎn)，并將這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的幅值存入ROM中，使用32位計(jì)數(shù)器中的高10位作為地址，在ROM中查找對(duì)應(yīng)的正弦值。模塊啟動(dòng)前計(jì)數(shù)器裝入SIN_PHASE中的初相位值，之后每個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器增加SIN_FACTOR中的自增值。

3.4" 比較輸出模塊

如圖6所示，比較輸出模塊使用自然采樣法生成兩路SPWM波。若正弦波的幅值大于三角波，則SPWM輸出高電平，反之SPWM輸出低電平。

3.5" 死區(qū)、互補(bǔ)生成模塊

在非理想情況下，為避免同一橋臂的開(kāi)關(guān)管直通發(fā)生短路，通常需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間[7]。如圖7所示，模塊分為同相上升沿延時(shí)部分與反相下降沿延時(shí)兩部分。若SPWM輸入由低變高，上升沿延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)DBTIME中配置的時(shí)間后，同相信號(hào)Out輸出高電平。若SPWM輸入由高變低，下降沿延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)DBTIME中配置的時(shí)間后，反相信號(hào)OutN輸出高電平。模塊輸入兩路SPWM信號(hào)，輸出兩對(duì)互補(bǔ)的帶死區(qū)SPWM波形。

4" 軟件配置

在ARM Cortex-M3硬核中需要通過(guò)程序配置各寄存器并使能外設(shè)。各寄存器值為：

SIN_FACTOR=232*fsin / fclk，SIN_PHASE=（ωsin*210/2π）

lt;lt;22，SAW_MAX=三角波最大值，SAW_FACTOR=

SAW_MAX*fSAW / fclk，SAW_PHASE=ωSAW*SAW_MAX/

2π，DBTIME=fclk*TDB。

其中fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，fsin為期望正弦波頻率，ωsin為期望正弦波初相位，fSAW為期望三角波頻率，ωSAW為期望三角波初相位，TDB為死區(qū)時(shí)間。

在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)時(shí)鐘fclk為100 MHz。設(shè)fsin為50 Hz，fsqu為20 kHz，ωsin為0，fSAW1為0，fSAW1為π，SAW_MAX為70 000，TDB為500 ns。

計(jì)算得到SIN_FACTOR為2147，SIN_PHASE為0，SIN_FACTOR1、SIN_FACTOR2為14，SAW_PHASE1為0，SAW_PHASE2為35000，DBTIME為50。

在Cortex-M3內(nèi)核中通過(guò)程序?qū)⑴渲弥祵?xiě)入各寄存器后，向CTL寄存器寫(xiě)入0x01啟動(dòng)外設(shè)。

5" 測(cè)試分析

在ModelSim中建立仿真項(xiàng)目，在testbench中例化IP核并裝載各寄存器值，將正弦波、兩路三角波加入觀察窗口，仿真結(jié)果如圖8所示。

觀察到IP核輸出周期為20 ms的正弦波，與兩路相位相差180度的三角波，符合設(shè)計(jì)需求。

使用EDA軟件將硬件描述語(yǔ)言綜合、實(shí)現(xiàn)后生成位流文件，將C語(yǔ)言程序編譯成固件。在HqFpga下載程序中將兩個(gè)文件合并一個(gè)bin文件，下載到FPGA外部的ROM存儲(chǔ)器中。啟動(dòng)FPGA后通過(guò)示波器觀察各個(gè)端口的輸出波形如圖9所示。

觀察到IP核輸出四路互補(bǔ)的單極性倍頻SPWM波形，波形符合第4節(jié)中的設(shè)計(jì)參數(shù)。

6" 結(jié)" 論

依據(jù)自然采樣法生成單極性倍頻SPWM原理，設(shè)計(jì)了一款基于AHB總線的單極性倍頻SPWMIP核。FPGA內(nèi)部的Cortex-M3硬核可通過(guò)AHB總線配置IP核的各項(xiàng)參數(shù)，靈活地輸出單極性倍頻SPWM波形。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明該IP核可以輸出頻率、相位可調(diào)的單極性倍頻SPWM波形。該IP核可應(yīng)用在各類(lèi)逆變電路中，輸出波形精度較高且易于使用，具有一定通用性與便捷性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 萬(wàn)秋一，李士林，閆鑫，等.一種等面積法生成SPWM波形的算法 [J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，31（5）：588-590+594.

[2] 毛惠豐，陳增祿，任記達(dá)，等.SPWM數(shù)字化自然采樣法的理論及脈沖誤差分析 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006（9）：131-136.

[3] 劉芳，李研，徐韞鈺.正弦波逆變器SPWM調(diào)制教學(xué)研究 [J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（6）：92-96.

[4] 遲耀丹，李騰，趙陽(yáng)，等.基于FPGA的三次諧波注入SPWM算法研究與實(shí)現(xiàn) [J].電力電子技術(shù)，2022，56（12）：112-115+140.

[5] 段夢(mèng)月.基于AHB總線的SD卡控制器設(shè)計(jì) [D].沈陽(yáng)：遼寧大學(xué)，2021.

[6] 張敏.基于AHB總線的SDRAM控制器的設(shè)計(jì) [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2022.

[7] 巫付專(zhuān)，陳蒙娜，周元浩，等.考慮死區(qū)效應(yīng)單相逆變器開(kāi)關(guān)頻率分析 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2021，49（24）：96-104.

作者簡(jiǎn)介：芮天喆（1999—），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生在讀，研究方向：數(shù)字化開(kāi)關(guān)電源。