基于FPGA的多电平载波移相SPWM方法实现

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1、http://www.paper.edu.cn基于FPGA的多电平载波移相SPWM方法实现孙奎，吴凤江，孙力哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（150001）E-mail:sunkui1040610411@126.com摘要：在研究了基于载波移相的SPWM(CPS-SPWM)原理的基础上，设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的CPS-SPWM波形发生器。介绍了基于FPGA的波形发生器的基本原理、系统构成及实现方法。该波形发生器接收由DSP写入的频率及幅值给定，从而产生频率、幅值可调的三相多电平SPWM波形，

2、以满足交流电机变频调速的需要。通过优化设计，节省了芯片资源，同时具有扩展性好，可靠性高等优点。实验结果验证了所设计波形发生器及其设计思想的正确性与可行性。关键词：现场可编程门阵列；载波移相；多电平逆变；SPWM发生器中图分类号：TM4641.引言作为提高电压等级、减少谐波、改善电源质量的有效方法，基于载波移相的多电平SPWM[1]技术在高压大功率场合的应用受到了广泛的关注。随着SPWM技术的发展、改进，其实现途径也在不断的发展、演化。从专用集成芯片、单片机、数字信号处理器（DSP）到DSP和FPGA的联合使用等。各种正弦

3、脉宽调制技术的实现方法及途径相继提出。同时也对其控制芯片提出了更高的要求。传统的控制芯片已经不能满足发展的需要，特别是对于基于载波移相的多路SPWM技术，由单片机或DSP来产生多路SPWM信号最多只能输出12路，不能满足要求。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成及其复杂的时序与组合逻辑电路功能，同时具有现场可编程、开发周期短、可移植、通用性强、易扩展等特[2]点。在级联型多电平SPWM的实现方面具有其他器件所无法比拟的独特的优势。本文阐述了基于FPGA的多路SPWM发生器设计方法。同时设计了一

4、个基于FPGA的适用于三相五电平[3]逆变器的SPWM发生器，开关调制策略采用载波相移SPWM技术(CPS-SPWM)，并通过实验验证了上面设计的可行性与正确性。2.载波移相SPWM原理载波相移SPWM技术是一种优秀的开关调制策略，适用于大功率组合逆变器和级联型多电平逆变器。载波相移SPWM技术的基本原理(如图1所示)是用同一调制波与N个相位均匀移动的三角载波分别进行二逻辑SPWM，得到N个二逻辑SPWM波形，这些波形叠加起来构成一个2N+1逻辑的CPS-SPWM波形。这个2N+1逻辑的CPS-SPWM波形的等效采样频率

5、是任意一个二逻辑SPWM的采样频率C的N倍，即NC。因而CPS-SPWM能够在较低的开关ωω[4,5]频率下实现较高等效开关频率的效果。同时阶梯式多电平输出电压波形更接近正弦，在不提高各功率开关器件开关频率的情况下大大减小了输出谐波,显著改善了输出波形质量。-1-http://www.paper.edu.cn同时，采用单元级联型多电平逆变器以低压方式实现了高压领域的电能转换，解决了功率器件容量与电能等级的矛盾，在高压大功率交流电机变频调速领域获得了广泛应用。图1为单相两单元情况的波形原理图，由图可知，共需要4个三角载波，

6、形成5电平输出波形。10.50-0.5-100.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.023020100-10-20-3000.0020.0040.0060.0080.010.0120.0140.0160.0180.02图1载波移相原理3.基于的FPGA的CPS-SPWM波形发生器3.1总体结构图2是FPGA内部的系统结构图。由三相正弦波产生模块（由频率接收译码模块、幅值接收模块、三相地址发生器及数据分离变换模块组成），三角载波产生模块，比较模块，死区模块等组成。频率和幅

7、值由外部DSP给定，FPGA完成三相正弦波发生器、三角载波移相、比较和死区形成等功能。对于三相五电平情况，共有6个单元，需24路PWM波形。对于更多电平情况，只需相应增加三角载波数量即可。C11C12C21C22图2FPGA内系统结构图-2-http://www.paper.edu.cn3.2正弦调制波产生三相正弦调制波以查表的方式实现，通过分时复用使得产生三相的正弦波只需一个正弦表，同时利用正弦波的1/4对称性进一步优化，实现一个完整周期的正弦波只需1/4周期的正弦表。两者结合，从而完成三相正弦波只需一个1/4周期的正

8、弦表，最大程度的减少了正弦表所占的逻辑门，极大的提高FPGA的利用率。将正弦波的一个周期分成360份。因此地址发生器为三个9位的计数器。1/4正弦表对应于0/∼π2的91个正弦值，因此对0/∼π2寻址只需7位地址线，即只需利用地址计数器的低7位进行寻址。3.2.1三相地址合成与变换三相地址计数器在相位上互差2/3π，