CN103580523A - 基于fpga的多路移相pwm波生成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，包括基于FPGA的若干个PWM发生单元和一个控制信号单元；每个PWM发生单元包括产生三角载波信号的时基计数器、与时基计数器相连接并产生同步短脉冲信号和调制波信号的同步信号发生器、与时基计数器和同步信号发生器相连接并生成PWM信号的PWM比较器；控制信号单元包括与各个PWM发生单元中的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号整合为一路同步综合信号的同步信号整合电路、与各个PWM发生单元中的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号对应转化成多路同步脉冲电平信号的同步信号筛选电路。本发明具有高控制精度高及高稳定性，且资源占用小，易于实现及移植等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的多路移相PWM波生成电路。
背景技术
近年来，随着电力电子器件的飞速发展，电力电子装置越来越多的应用于高压大容量场合，采用传统两电平电路很难满足高压大容量装置的要求。为了进一步提高电力电子装置的容量及电压水平，高压大容量电力电子装置主电路结构大多采用功率单元串、并联多重化结构。
对于采用功率单元串、并联多重化结构的电力电子装置，例如图1中所示的链式H桥单元结构，需采用多路移相PWM波生成技术动态生成不同控制宽度的PWM信号，该技术的基本功能原理为，将多个三角载波依次错开一定角度后与正弦调制波进行比较，从而产生出各个功率单元的驱动信号。同时，产生相应的控制信号，配合数字控制器的时序操作及分时算法实现。
由于多重化结构的电力电子装置往往具有较多功率单元，传统的数字控制芯片如DSP等很难实现多路移相PWM波生成，而采用定制芯片成本较难控制。这就需要一个硬件可编程、接口可灵活配置、运算速度快并且成本较低的器件，FPGA正符合这些要求。设计一个简单、高效、实用的多路移相PWM波生成模块是非常有实用价值的。
经检索，公开号为102427349A的中国发明专利中公开了一种基于FPGA的PWM脉宽调制电路，该电路由FPGA、RC滤波电路以及电压比较器实现，具有灵活度更高、实时调节性能更好、抗温度变化能力更强，不需要使用传统的PWM专用电路等优点。但是其PWM波形生成模块没有考虑多路PWM信号的同步及相移角度问题，无法应用与采用功率单元串、并联多重化结构的主电路结构中，同时，该方法也没有提供从PWM发生器到控制器的同步信号，无法实现中断控制。
公开号为1102904419A的中国发明专利中公开了一种三相PWM波FPGA产生装置，其设计了从PWM发生器到控制器的同步信号，功能较完善，能够在电力电子变换器中得到可靠、方便的应用。但是其仅能发生6路PWM信号，并且没有考虑多路PWM信号之间的相移角度，并不能应用于采用功率单元串、并联多重化结构的主电路结构中。
公开号为103178815A的中国发明专利中公开了一种基于FPGA的PWM发生器，其载波频率、死区时间、使能信号均可以依照系统的需要进行设计，应用范围广泛且可灵活应用于各种各样的场合。但是其三角载波发生单元一直产生一个三角载波，送入每一个PWM信号产生单元用于比较，这样，实现多路PWM信号的相移就必须通过DSP控制器从数据总线传送多路占空比数据，对DSP控制器资源及总线资源占用较高。
故而，现有的基于FPGA的PWM发生装置在采用功率单元串、并联多重化结构的电力电子装置中的应用受到一定限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度和稳定性较高、占用资源小、适用于采用功率单元串、并联多重化结构中的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，与数字控制器相连接，其包括基于FPGA的若干个PWM发生单元和一个与各个所述的PWM发生单元相连接的控制信号单元；
每个所述的PWM发生单元包括根据设置参数产生三角载波信号的时基计数器、与所述的时基计数器相连接并根据所述的三角载波信号和由所述的数字控制器传递的调制波数据产生同步短脉冲信号和调制波信号的同步信号发生器、与所述的时基计数器和所述的同步信号发生器相连接并比较所述的三角载波信号和所述的调制波信号而生成PWM信号的PWM比较器；
所述的控制信号单元包括与各个所述的PWM发生单元中的所述的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号整合为一路同步综合信号以控制所述的数字控制器的同步信号整合电路、与各个所述的PWM发生单元中的所述的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号对应转化成多路同步脉冲电平信号以供所述的数字控制器分辨各个所述的PWM发生单元的同步信号筛选电路。
上述方案中，所述的时基计数器通过FPGA程序模块参数初始化配置，实现三角载波信号的周期值和相移角度的设置。
所述的时基计数器根据三角载波信号的周期值和相移角度的参数设置，通过增减计数方式产生所述的三角载波信号。
所述的同步信号发生器在所述的三角载波信号处于零点或对称中点时产生短脉冲而构成所述的同步短脉冲信号。
所述的同步信号发生器包括同步信号计数器，其采用减计数方式产生所述的短脉冲形成所述的同步短脉冲信号。
所述的同步信号发生器中输入有所述的数字控制器提供的输出使能信号；当所述的输出使能信号为关断状态，则所述的同步信号发生器将所述的时基计数器送来的三角载波信号和所述的调制波数据比较而生成所述的调制波信号；当所述的输出使能信号为开通状态，则所述的同步信号发生器先判断所述的三角载波信号是否处于零点或对称中点，若判断成立，再将所述的时基计数器送来的三角载波信号和所述的调制波数据比较而生成所述的调制波信号。
所述的同步信号整合电路通过与门电路整合各同步短脉冲信号。
所述的同步信号筛选电路通过D触发器将各同步短脉冲信号对应转化成所述的同步脉冲电平信号。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的PWM波生成电路具有高控制精度高及高稳定性，且资源占用小，易于实现及移植等诸多优点，其可以广泛应用于包括多重化结构在内的多种主电路结构。
附图说明
附图1为本发明所适用的多重化电路结构图。
附图2为本发明的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路的电路框图。
附图3为本发明的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路的工作原理波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见附图2和附图3所示。一种与数字控制器相连接、适用于附图1所示的多重化电路中的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，包括基于FPGA的若干个PWM发生单元和一个与各个PWM发生单元相连接的控制信号单元。
单个PWM发生单元可输出一组PWM信号，需根据实际需要选择PWM发生单元的个数。每个PWM发生单元中，包括根据设置参数产生三角载波信号的时基计数器、与时基计数器相连接并根据三角载波信号和由数字控制器传递的调制波数据产生同步短脉冲信号和调制波信号的同步信号发生器、与时基计数器和同步信号发生器相连接并比较三角载波信号和调制波信号而生成PWM信号的PWM比较器。
时基计数器通过FPGA程序模块参数初始化配置，实现三角载波信号的周期值和相移角度的设置，不同的PWM发生单元可以设置不同的周期值和相移角度参数。故而时基计数器的功能为：（1）通过FPGA程序模块参数初始化配置，实现当前PWM发生单元的三角载波信号的周期值及相移角度的设置；（2）根据三角载波信号的周期值和相移角度的参数设置，通过增减计数方式产生三角载波信号。具体的，时基计数器先读取设置参数中的相移角度及周期值，然后在相移角度的基础上进行增计数，一直计数至周期值后改变计数方向为减计数，一直计数至零后改变计数方向为增计数，如此反复，便可以形成不同起始角度的三角载波信号。
同步信号生成器分为两部分，其中包括有同步信号计数器，且输入有数字控制器提供的输出使能信号。第一部分：根据时基计数器中的计数值即三角载波信号，判断当前计数值是否在三角载波信号的零点或对称中点（周期点），当判断条件成立后，将同步信号输出高电平，同时启动同步信号计数器，该计数器采用减计数的方式，当计数值减为零时，将同步信号输出低电平，从而实现了在三角载波零点或对称中点（周期点）输出了一个同步短脉冲，该同步短脉冲的脉冲宽度由同步信号计数器初始值决定，每输出一个同步短脉冲后需将同步信号计数器初始值恢复，如此形成由同步短脉冲构成的同步短脉冲信号。第二部分：先判断输出使能信号，若输出使能信号为关断状态，则直接将时基计数器送来的三角载波信号和调制波数据比较而生成调制波信号；若输出使能信号为开通状态，则先判断三角载波信号是否处于零点或对称中点，若判断成立，再将时基计数器送来的三角载波信号和调制波数据比较而生成调制波信号。
故而同步信号生成器的功能为：（1）当三角载波信号位于零点或对称中点（周期点）时，产生一个同步短脉冲，用于数字控制器启动采样单元，实现开关周期内的平均电流采样工作模式；（2）接收由数字控制器通过数据总线传递的调制波（占空比）数据，当三角载波位于零点或对称中点（周期点）时，将接收到的数据更新，并转换为相应的调制波信号，用于生成PWM信号。在接收到数字控制器的输出使能信号前，采取实时更新的方式刷新比较值，当接收到数字控制器的输出使能信号后，转换为在三角载波位于零点后者对称中点（周期点）时刷新比较值。
PWM比较器中将三角载波信号和调制波信号进行比较而产生PWM信号时，若调制波信号大于三角载波信号时，则其输出高电平；若调制波信号小于三角载波信号时，其输出低电平，从而实现动态PWM信号输出。当数字控制器送出的输出使能信号为关断时，则其始终输出低电平。故而PWM比较器的功能为：将时基计数器生成的三角载波信号和同步信号生成器生成的调制波信号进行比较，动态生成不同控制宽度的PWM信号。该PWM信号可以通过数字控制器送出的使能信号控制开通或关断。
控制信号单元包括与各个PWM发生单元中的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号整合为一路同步综合信号以控制数字控制器的同步信号整合电路、与各个PWM发生单元中的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号对应转化成多路同步脉冲电平信号以供数字控制器分辨各个PWM发生单元的同步信号筛选电路。同步信号整合电路的功能为：将各个PWM发生单元中产生的同步短脉冲信号整合为一路同步综合信号，用于通知数字控制器启动采样单元并完成一个单位周期的控制算法。同步信号筛选电路的功能为：将各路同步短脉冲信号筛选出来，转换成多路同步脉冲电平信号，可以与每一组PWM发生单元一一对应，这样使得数字控制器可以分辨出同步信号整合电路输出的同步综合信号中的每一组同步短脉冲信号是由哪一组PWM发生单元产生的，以便实现分时控制算法。同步信号整合电路通过与门电路整合各同步短脉冲信号，同步信号筛选电路通过D触发器将各同步短脉冲信号对应转化成同步脉冲电平信号。
上述基于FPGA的多路移相PWM波生成电路与现有技术相比，具有的有益效果为：
1、本基于FPGA的多路移相PWM波生成电路的PWM发生单元中的时基计数器三角载波的周期值及相移角度的设置通过FPGA程序模块参数初始化配置实现，这样，数字控制器每相只需传送一路占空比数据便可实现多路相移PWM信号输出，最大程度上减少了控制器及总线资源占用，也便于模块化设计。
2、本基于FPGA的多路移相PWM波生成电路的PWM发生单元中的同步信号发生器在接收到数字控制器的输出使能信号前，采取实时更新的方式刷新比较值，当接收到数字控制器的输出使能信号后，转换为在三角载波位于零点后者周期点（三角载波对称中点）时刷新比较值，这样可以减少由于输出使能后的第一个脉冲更新不及时对电力电子器件带来的电流冲击。
3、本基于FPGA的多路移相PWM波生成电路的控制信号单元中的同步信号筛选电路通过D触发器实现各路同步短脉冲信号的筛选，以便数字控制器实现分时控制算法，该实现方式电路简单可靠，资源占用低，扩展方便，容易实现分时控制算法。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，与数字控制器相连接，其特征在于：其包括基于FPGA的若干个PWM发生单元和一个与各个所述的PWM发生单元相连接的控制信号单元；
每个所述的PWM发生单元包括根据设置参数产生三角载波信号的时基计数器、与所述的时基计数器相连接并根据所述的三角载波信号和由所述的数字控制器传递的调制波数据产生同步短脉冲信号和调制波信号的同步信号发生器、与所述的时基计数器和所述的同步信号发生器相连接并比较所述的三角载波信号和所述的调制波信号而生成PWM信号的PWM比较器；
所述的控制信号单元包括与各个所述的PWM发生单元中的所述的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号整合为一路同步综合信号以控制所述的数字控制器的同步信号整合电路、与各个所述的PWM发生单元中的所述的同步信号发生器相连接并将各同步短脉冲信号对应转化成多路同步脉冲电平信号以供所述的数字控制器分辨各个所述的PWM发生单元的同步信号筛选电路。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的时基计数器通过FPGA程序模块参数初始化配置，实现三角载波信号的周期值和相移角度的设置。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的时基计数器根据三角载波信号的周期值和相移角度的参数设置，通过增减计数方式产生所述的三角载波信号。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的同步信号发生器在所述的三角载波信号处于零点或对称中点时产生短脉冲而构成所述的同步短脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的同步信号发生器包括同步信号计数器，其采用减计数方式产生所述的短脉冲形成所述的同步短脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的同步信号发生器中输入有所述的数字控制器提供的输出使能信号；当所述的输出使能信号为关断状态，则所述的同步信号发生器将所述的时基计数器送来的三角载波信号和所述的调制波数据比较而生成所述的调制波信号；当所述的输出使能信号为开通状态，则所述的同步信号发生器先判断所述的三角载波信号是否处于零点或对称中点，若判断成立，再将所述的时基计数器送来的三角载波信号和所述的调制波数据比较而生成所述的调制波信号。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的同步信号整合电路通过与门电路整合各同步短脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的多路移相PWM波生成电路，其特征在于：所述的同步信号筛选电路通过D触发器将各同步短脉冲信号对应转化成所述的同步脉冲电平信号。
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Denomination of invention: Multipath phase-shift PWM wave generating circuit based on FPGA Effective date of registration: 20171013 Granted publication date: 20160323 Pledgee: Suzhou hi tech Zone SME Company limited by guarantee Pledgor: SUZHOU AIKE BORUI POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2017320010067 |
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Address after: 215163 590 Songhua River Road, science and Technology City, Suzhou high tech Zone, Jiangsu Patentee after: SUZHOU ACTIONPOWER POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 215163 No. 189 Kunlun mountain road, hi tech Zone, Suzhou, Jiangsu Patentee before: SUZHOU AIKE BORUI POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Date of cancellation: 20181116 Granted publication date: 20160323 Pledgee: Suzhou hi tech Zone SME Company limited by guarantee Pledgor: SUZHOU ACTIONPOWER POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2017320010067 |
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Denomination of invention: Multipath phase-shift PWM wave generating circuit based on FPGA Effective date of registration: 20181130 Granted publication date: 20160323 Pledgee: Suzhou hi tech Zone SME Company limited by guarantee Pledgor: SUZHOU ACTIONPOWER POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2018320010045 |
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Date of cancellation: 20220623 Granted publication date: 20160323 Pledgee: Suzhou hi tech Zone SME Company limited by guarantee Pledgor: SUZHOU ACTIONPOWER POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2018320010045 |