CN103391073A - 一种基于spmw的信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SPMW的信号发生器，包括单片机、FPGA、两个直接数字式频率合成器、两路SPWM发生器电路、两路死区控制电路、三路隔离器，两路SPMW发生器电路分别和一个直接数字式频率合成器连接，单片机与FPGA连接，两个直接数字式频率合成器均由单片机控制，单片机的两个输出分别连接一驱动器后连接第二隔离器，两路PWM发生器电路均连接在单片机的输出上；两路SPWM发生器电路均通过直接数字式频率合成器连接在单片机上，两路SPWM发生器后分别连接两路死区控制电路，两路死区控制电路后分别连接第一隔离器和第三隔离器；两个直接数字式频率合成器上分别安装有驱动器输出电压基波。

Description

一种基于SPMW的信号发生器

技术领域

本发明涉及一种信号发生器，尤其涉及一种在结合DDS，FPGA，MCU等芯片的先进技术基础上，采用硬件调制法把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形的基于SPMW的信号发生器。

背景技术

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦规率脉冲宽度调制，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式。SPWM的脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、矢量控制PWM等。

SPWM法是相电压控制PWM中的一种控制方法。SPWM法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

虽然SPWM技术已在诸多领域中得到肯定和应用，但较经典的正弦波等信号尚未有可任意设置覆盖实际应用需要的SPWM信号发生器。

SPWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，包括太阳能发电、风力发电、电机调速、直流供电、逆变电源等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

SPWM具有输出波形中低次谐波含量低、噪声小等优点，已为交流传动、UPS系统、变频调压电源和不间断电源中得到了广泛的应用，在允许的范围内提高载波频率是充分发挥脉宽调制优越性的努力方向，而提高PWM数字信号的控制精度亦是改善输出波形质量的重要环节。目前各行各业对电气设备的控制性能日益提高，对SPWM信号的控制精度要求也越来越高。但是当前市场上并没有专用的SPWM信号发生器，所以本课题的成果在相关领域中具有重大作用。可供相关领域中在SPWM应用中提供专业工具，能提供全方位试验支持，将缩短相应产品的研制周期及性能的提高。

传统的采用模拟电路进行控制的手段，它虽然具有很好的实时性，但硬件电路实现相当复杂、可修改性差、控制不够灵活、稳定性差、受环境影响大。数字化控制具有速度快、控制精度高以及控制方案灵活的优点，并且可以利用较少的器件获得更理想的结果，因此具有很高的应用价值。

SPWM法的实现有以下几种方案：

（1）、等面积法

该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。

（2）、硬件调制法

硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波，但是这种模拟电路结构复杂。

（3）、软件生成法

由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。这两种方法均只适用于同步调制方式中。

（4）、低次谐波消去法

低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u（ωt）=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1，a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。

传统的SPWM驱动芯片速度慢、不够灵活，存在着电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差、设计周期长等缺点，对于许多有特殊要求的场合很难满足实际的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种在结合DDS，FPGA，MCU等芯片的先进技术基础上，采用硬件调制法把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形的基于SPMW的信号发生器。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于SPMW的信号发生器，所述信号发生器包括单片机（MCU）、FPGA、两个直接数字式频率合成器（DDS）、两路SPWM发生器电路、两路死区控制电路、三路隔离器，三路隔离器分别为第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器；

两路SPMW发生器电路分别和一个直接数字式频率合成器（DDS）连接，单片机（MCU）与FPGA连接，两个直接数字式频率合成器（DDS）均由单片机（MCU）控制，单片机（MCU）的两个输出分别连接一驱动器后连接第二隔离器，两路PWM发生器电路均连接在单片机（MCU）的输出上；

两路SPWM发生器电路均通过直接数字式频率合成器（DDS）连接在单片机（MCU）上，两路SPWM发生器后分别连接两路死区控制电路，两路死区控制电路后分别连接第一隔离器和第三隔离器；

两个直接数字式频率合成器（DDS）上分别安装有驱动器输出电压基波。

在本发明的具体实施例中：所述PWM发生器电路包括：三角波发生器，正弦波发生器，模拟反向器，第一比较器，第二比较器，第一反向器，第二反向器，第一驱动器，第二驱动器，第三驱动器，第四驱动器，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管，线圈，电阻RL，电容C；所述三角波发生器的输出通过一个电容C1后分为两路，一路连接第一比较器的正向输入端，另一路连接模拟反向器的输入端，正弦波发生器的输出通过一个电容C2后分为两路，其中一路连接第一比较器的反向输入端，另一路连接第二比较器的正向输入端，模拟反向器的输出端连接第二比较器的反向输入端，第一比较器的输出分为两路，其中一路连接第一反向器，另一路连接第二驱动器；第二比较器的输出分为两路，其中一路连接第二反向器，另一路连接第四驱动器；第一反向器的输出连接在第一场效应管上，第二反向器的输出连接在第三场效应管上；电阻RL和电容C并联后串连所述线圈的一端；第一场效应管和第二场效应管之间的连线引出一支路和所述线圈的另一端连接。

在本发明的具体实施例中：所述死区控制电路包括：比较器、反向器、电阻R、电容C、第一滞回比较器、第二滞回比较器、第一施密特迟滞比较器、第二施密特迟滞比较器、第一线圈和第二线圈，所述比较器的输出端分为三路，一路连接反向器的输入端，另一路连接电阻R的一端，第三路连接在第一施密特迟滞比较器的一个输入端；电阻R的另一端分为两路，一路连接电容C一端，另一路连接第一滞回比较器的输入端，电容C另一端接地，第一滞回比较器的输出端分为两路，一路连接第二施密特迟滞比较器一个输入端，另一路连接第二施密特迟滞比较器的一个输入端，第二滞回比较器的输出端连接第一施密特迟滞比较器的另一个输入端，反向器的输出连接在第二施密特迟滞比较器的另一个输入端；第一施密特迟滞比较器的输出端连接有第一线圈，第二施密特迟滞比较器的输出端连接有第二线圈。

在本发明的具体实施例中：所述死区控制电路的死区时间为Δt，其中，Δt≈RC。

在本发明的一个具体实施例中：所述第一施密特迟滞比较器和第二施密特迟滞比较器的型号均为74HC132。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于SPMW的信号发生器具有以下优点：本发明在结合DDS，FPGA，MCU等芯片的先进技术基础上，拟采用硬件调制法把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形。避免了等面积法存在的计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点及其他方法中适用范围局限性等缺陷。

附图说明

图1为本发明提供的基于SPMW的信号发生器的原理框图的结构示意图。

图2为SPWM波形发生器电路的结构示意图。

图3为死区控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

现代科学技术的水平发展迅速，各种新技术的出现使得硬件调制法成为当前最为理想的选择。基于直接数字式频率合成器（Direct DigitalSynthesizer）、现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array）和单片机（Micro Control Unit）实现的SPWM信号发生器采用SPWM硬件调制法，具有频率分辨率高，输出频点多，频率切换速度快，可达us量级，频率切换时相位连续，输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用，可以产生任意波形，全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。它既有数字电路稳定可靠无漂移、便于集成等优点，又有可重复编程、设计灵活的优势，同时还有响应快、精度高等特点。

本发明在结合DDS，FPGA，MCU等芯片的先进技术基础上，拟采用硬件调制法把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的SPWM波形。避免了等面积法存在的计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点及其他方法中适用范围局限性等缺陷。

图1为本发明提供的基于SPMW的信号发生器的原理框图的结构示意图。

如图1所示：本发明提供的基于SPMW的信号发生器包括单片机（MCU）、FPGA、两个直接数字式频率合成器（DDS）、两路SPWM发生器电路、两路死区控制电路、三路隔离器，三路隔离器分别为第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器；两路SPMW发生器电路分别和一个直接数字式频率合成器（DDS）连接，单片机（MCU）与FPGA连接，两个直接数字式频率合成器（DDS）均由单片机（MCU）控制，单片机（MCU）的两个输出分别连接一驱动器后连接第二隔离器，两路PWM发生器电路均连接在单片机（MCU）的输出上；两路SPWM发生器电路均通过直接数字式频率合成器（DDS）连接在单片机（MCU）上，两路SPWM发生器后分别连接两路死区控制电路，两路死区控制电路后分别连接第一隔离器和第三隔离器；两个直接数字式频率合成器（DDS）上分别安装有驱动器输出电压基波。

图2为SPWM波形发生器电路的结构示意图。如图2所示：PWM发生器电路包括：三角波发生器，正弦波发生器，模拟反向器，第一比较器，第二比较器，第一反向器，第二反向器，第一驱动器，第二驱动器，第三驱动器，第四驱动器，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管，线圈，电阻RL，电容C；所述三角波发生器的输出通过一个电容C1后分为两路，一路连接第一比较器的正向输入端，另一路连接模拟反向器的输入端，正弦波发生器的输出通过一个电容C2后分为两路，其中一路连接第一比较器的反向输入端，另一路连接第二比较器的正向输入端，模拟反向器的输出端连接第二比较器的反向输入端，第一比较器的输出分为两路，其中一路连接第一反向器，另一路连接第二驱动器；第二比较器的输出分为两路，其中一路连接第二反向器，另一路连接第四驱动器；第一反向器的输出连接在第一场效应管上，第二反向器的输出连接在第三场效应管上；电阻RL和电容C并联后串连所述线圈的一端；第一场效应管和第二场效应管之间的连线引出一支路和所述线圈的另一端连接。

图3为死区控制电路的结构示意图。如图3所示：所述死区控制电路包括：比较器、反向器、电阻R、电容C、第一滞回比较器、第二滞回比较器、第一施密特迟滞比较器、第二施密特迟滞比较器、第一线圈和第二线圈，所述比较器的输出端分为三路，一路连接反向器的输入端，另一路连接电阻R的一端，第三路连接在第一施密特迟滞比较器的一个输入端；电阻R的另一端分为两路，一路连接电容C一端，另一路连接第一滞回比较器的输入端，电容C另一端接地，第一滞回比较器的输出端分为两路，一路连接第二施密特迟滞比较器一个输入端，另一路连接第二施密特迟滞比较器的一个输入端，第二滞回比较器的输出端连接第一施密特迟滞比较器的另一个输入端，反向器的输出连接在第二施密特迟滞比较器的另一个输入端；第一施密特迟滞比较器的输出端连接有第一线圈，第二施密特迟滞比较器的输出端连接有第二线圈。

所述死区控制电路的死区时间为Δt，其中，Δt≈RC。

在本发明的具体实施过程中，第一施密特迟滞比较器和第二施密特迟滞比较器的型号均选用74HC132。

在本发明的具体实施过程中，PWM波由MCU的PWM端直接产生占空比为50%的正方波，频率最高为6MHz。通过两路驱动器、隔离器分别输出。

半桥SPWM波发生器产生一组SPWM波，以驱动半桥驱动器。

MCU的PWM口产生一个占空比50%的正方波，经三角波发生器、反相放大器输出两路正反向三角波。分别与DDS产生的基波比较，输出两路SPWM信号，分别通过死区控制产生全桥驱动所需的四路驱动信号。

死区时间为：Δt≈RC。死区控制电路拟采用FPGA完成其功能要求，其中的RC延时电路利用FPGA设计可以达到更加精确的延时时间，且可以方便的调整该延时时间。

全桥驱动输出增加隔离电路是必要的，用以降低外部干扰及对自身的保护。隔离应采用高速器件，响应时间要<50nS，否则会引起SPWM波畸变，产生基波的3、5、7次谐波。

本发明能促进SPWM控制技术在电力电子技术行业，包括太阳能发电、风力发电、电机调速、直流供电、逆变电源等应用领域，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于SPMW的信号发生器，其特征在于：所述信号发生器包括单片机、FPGA、两个直接数字式频率合成器、两路SPWM发生器电路、两路死区控制电路、三路隔离器，三路隔离器分别为第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器；

两路SPMW发生器电路分别和一个直接数字式频率合成器连接，单片机与FPGA连接，两个直接数字式频率合成器均由单片机控制，单片机的两个输出分别连接一驱动器后连接第二隔离器，两路PWM发生器电路均连接在单片机的输出上；

两路SPWM发生器电路均通过直接数字式频率合成器连接在单片机上，两路SPWM发生器后分别连接两路死区控制电路，两路死区控制电路后分别连接第一隔离器和第三隔离器；

两个直接数字式频率合成器上分别安装有驱动器输出电压基波。

2.根据权利要求1所述的基于SPMW的信号发生器，其特征在于：所述PWM发生器电路包括：三角波发生器，正弦波发生器，模拟反向器，第一比较器，第二比较器，第一反向器，第二反向器，第一驱动器，第二驱动器，第三驱动器，第四驱动器，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管，线圈，电阻RL，电容C；所述三角波发生器的输出通过一个电容C1后分为两路，一路连接第一比较器的正向输入端，另一路连接模拟反向器的输入端，正弦波发生器的输出通过一个电容C2后分为两路，其中一路连接第一比较器的反向输入端，另一路连接第二比较器的正向输入端，模拟反向器的输出端连接第二比较器的反向输入端，第一比较器的输出分为两路，其中一路连接第一反向器，另一路连接第二驱动器；第二比较器的输出分为两路，其中一路连接第二反向器，另一路连接第四驱动器；第一反向器的输出连接在第一场效应管上，第二反向器的输出连接在第三场效应管上；电阻RL和电容C并联后串连所述线圈的一端；第一场效应管和第二场效应管之间的连线引出一支路和所述线圈的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的基于SPMW的信号发生器，其特征在于：所述死区控制电路包括：比较器、反向器、电阻R、电容C、第一滞回比较器、第二滞回比较器、第一施密特迟滞比较器、第二施密特迟滞比较器、第一线圈和第二线圈，所述比较器的输出端分为三路，一路连接反向器的输入端，另一路连接电阻R的一端，第三路连接在第一施密特迟滞比较器的一个输入端；电阻R的另一端分为两路，一路连接电容C一端，另一路连接第一滞回比较器的输入端，电容C另一端接地，第一滞回比较器的输出端分为两路，一路连接第二施密特迟滞比较器一个输入端，另一路连接第二施密特迟滞比较器的一个输入端，第二滞回比较器的输出端连接第一施密特迟滞比较器的另一个输入端，反向器的输出连接在第二施密特迟滞比较器的另一个输入端；第一施密特迟滞比较器的输出端连接有第一线圈，第二施密特迟滞比较器的输出端连接有第二线圈。

4.根据权利要求3所述的基于SPMW的信号发生器，其特征在于：所述死区控制电路的死区时间为Δt，其中，Δt≈RC。

5.根据权利要求3所述的基于SPMW的信号发生器，其特征在于：所述第一施密特迟滞比较器和第二施密特迟滞比较器的型号均为74HC132。

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