基于fpga的pwm发生器的研究与设计

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1、基于FPGA的PWM发生器的研究与设计摘要PWM(脉冲宽度调制)是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统等电力电子设备。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，也是变频技术的核心，同时在机床，液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。PWM技术已经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器有十分重要的意义。论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。波形合成采用直接数字频率合成(DDS)技术来实现。DDS技术以相位为地址，通过查找离散幅度数据进行波形

2、合成，具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点，而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率，是目前波形合成的主流方法。实现PWM发生器的设计方法有多种，本文采用现场可编程门阵列(FPGA)来实现PWM波的产生。FPGA的设计是以Altera公司的QuartusII软件为开发平台，采用VHDL语言为来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，目标载体选用Altera公司的CycloneIII系列器件。关键词：脉冲宽度调制；直接数字频率合成；现场可编程门阵列PWM发生器的现状及发展从信号的产生方法来说，工程上常见的PWM波产生方法有：1．三角波比较法三角波比较法

3、根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以由模拟电子电路、数字电子电路或专用大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成SPWM。2．滞环比较法该方法较多应用于电流跟踪控制。此法的优点是硬件电路简单，属于实时控制方式，反应快，不用载波，输出中不含特定频率谐波分量。其不足之处是检测信号的传感器必须是具有宽频带的高性能传感器3．空间电压矢量法空间电压矢量法(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM

4、波形。4．单周控制法单周控制法作为一种新型非线性控制技术提出，它可应用于PWM控制、软开关等。这种方法的基本思想是在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例。从PWM信号发生器设计方法的改进和发展来看，可以大致分为三个阶段：1．基于分立器件的阶段在这一阶段，受器件生产工艺、集成度和计算机应用水平的影响，PWM发生器的设计方法主要采用电阻、电容、晶体管电路完成，模拟电子技术的应用占主导地位，PWM信号的产生主要由分立元件组成的控制电路完成。2．基于控制器的阶段二十世纪七十年代以后，随着芯片制造水平和软件应用技术的提高，PWM发生器的设计越来越多地采用基于控制器的方法来实现

5、。在这里把微控制器(主要指各类单片机)、数字信号处理器(DSP)、工业控制计算机等笼统称为控制器，其中单片机是应用非常广泛的控制器之一。但单片机由于本身结构所引起的运行速度慢、无法提供更高的时钟频率等缺点制约了PWM波形信号的精度和频率。即便是采用DSP作为控制器，系统的运行速度虽然会得到很大的提高，但对于高频的PWM信号仍然难以完成，而且对于用任意波形来调制产生PWM波形难度也比较大。3．基于全数字化设计方法的阶段EDA技术被誉为二十一世纪的十大技术之一。PWM信号发生电路以及其它电路的设计越来越多地采用基于大规模可编程逻辑器件的设计方法，其中基于现场可编程门阵列(FPGA)和复杂

6、可编程逻辑器件(CPLD)这两大类器件的设计成为主流。依靠PLD器件所提供的高频时钟和丰富的可编程资源，PWM信号发生器主体电路可完全在一片器件内部完成，提高了系统的集成度和抗干扰能力，降低了功耗和成本，同时也能非常容易地实现用任意波形(可以在PLD内部实现DDS电路)来调制产生PWM信号，信号的输出频率也能达到很高。1.相关技术与工具介绍1.1技术简介1.1.1DDS技术DDS技术是建立在采样定理础上的。DDS的关键部分是相幅转换部分，根据相幅转换方式的不同，DDS大致分为两类。ROM查询表法：ROM中存储有不同相位对应的幅度值，相位累加器输出的相位值寻址ROM，ROM输出对应的幅

7、度序列，实现相幅转换。计算法：对相位累加器输出的相位值通过数学计算的方法得到对应的幅度值，实现相幅转换。基于ROM查询表法的DDS电路设计十分常用，电路一般由相位累加器、移相累加器、ROM波形表存储器组成。其工作原理是：由相位累加器完成相位地址的累加，累加的一方是相位每次变化的长度，另一方是累加器上一次输出结果的反馈值。相位累加器的输出一方面反馈到输入端作为下一次累计的一个输入，另一方面根据需要进行合理的截断，将截断后的地址送入移相累加器；移相累加器的主要