pwm逆变电路的控制方法有哪三种(pwm直流电压发生器)

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摘要：针对气囊中压电陶瓷变压器的驱动问题，设计了基于FPGA的SPWM发生器，给出了设计原理、总体框架及具体实现和仿真结果。 仿真结果表明，所设计的SPWM脉冲信号发生器能较好地解决压电陶瓷变压器由于驱动频率不同而导致的驱动困难或效果不佳的问题。

目前，汽车工业已经成为我国经济的支柱产业和可持续发展行业。 安全、环保、节能是衡量现代汽车技术发展水平的三个主要指标，安全居首位。 随着人民生活水平的提高，越来越多的用户选择中高端配置的、更安全的汽车。 这些都促进了高性能汽车安全气囊系统的开发。 气囊点火系统的关键是系统的精确实现，其核心是采用高性能高压转换技术，有效获取多点点火的点火能量。 现有的气囊由于是点火系统，在可靠性、准确性等方面存在不足。 而压电陶瓷变压器无电磁干扰，且不受电磁干扰，能量转换效率高，输出密度大，耐辐射，耐高温，无噪声，可靠性高，结构简单，电源安全性高，体积小将压电变压器应用于汽车气囊点火系统，为气囊点火系统高压转换电路的实现提供了新的技术途径，将安全与环境保护相结合，提高可靠性和准确性。

气囊点火系统由中央电子控制器(ECU )、压电高压转换器模块、多点起爆模块组成，结构如图1所示。

压电陶瓷变压器采用正弦波脉宽调制，即SPWM(sinusoidalPWM )型电压驱动，但压电变压器并不是对任何频率的输入电压都有升压作用。 在频率等于压电变压器的固有频率的情况下，压电变压器可以通过驱动电压的激励而处于谐振状态，在这种情况下，沿着其长度方向的振动最强，从而具有变压作用。 当变换器的等效电路处于谐振时，压电变压器的电压增益最大[1] . 但是，其固有振动频率由各种因素决定，差异较大，因此压电陶瓷变压器的驱动需要较宽的频率范围，而通常使用的石英振动等频率源元件无法满足该条件。 本文利用FPGA技术，根据SPWM自然采样法的原理，结合DDS (直接数字频率合成器)技术，设计了应用于压电陶瓷变压器的SPWM脉冲信号发生器。

1采用的主要技术

1.1 SPWM技术

PWM法是一种比较成熟的、目前广泛使用的PWM法。 采样控制理论的一个重要结论是，当脉冲相等、形状不同的窄脉冲施加在惯性环节上时，其效果基本相同。 SWM法是以该结论为理论基础，使用脉冲宽度按正弦规律变化且等价于正弦波的PWM波形，即SPWM波形控制开关设备的接通断开，以使其输出的脉冲电压的面积等于所期望的输出正弦波在相应区间内的面积。

生成SPWM信号有谐波消除法、等面积法、自然采样法等多种方法[2]，但本文采用自然采样法。 自然采样法将一组等腰三角形的波与正弦波进行比较，将其交点作为开关管开关的时刻[3-4]，该方法可以准确地求出脉冲宽度和脉冲间隙时间。 根据所用调制三角波，自然采样法可以分为单极三角波调制法和双极三角波调制法[5]。 本文采用单极调制法，其原理图如图2所示。

由图2可知，正弦波与三角波的交点是SPWM控制脉冲的开始点和停止点，即SPWM波的开关点。 为了求出与这些交点对应的时刻，对正弦波和三角波的每个交点进行脉冲宽度和间隙时间的采样，生成SPWM控制脉冲的开关时刻[6]。

1.2 DDS技术

ds的基本原理是利用抽样定理通过查找表法生成波形。 DDS根据相位的概念，直接对参考正弦波信号进行采样，得到不同的相位。 通过数字计算技术产生相应的电压幅度，最后滤波使所需频率平滑后输出[7]。 DDS的原理框图如图3所示。 包括相位累加器、波形存储器、数字/模拟转换器、低通滤波器(LPF )、基准时钟5个部分。

图中，k是频率控制字，n是相位累加器的字长，m是ROM地址线位数，m是ROM数据线的位数，即DAC的位数，fc是DDS系统的基准时钟源。 通常是稳定性较高的石英振荡器，为系统整体的各构成要素提供同步时钟。 ds的基本工作原理：在基准时钟的控制下，相位累加器将频率控制字m线性重叠，得到的相位代码寻址波形存储器，使其输出对应的振幅代码，经过数模转换器得到对应的阶梯波，最后成为低通波形

ds的数学模型是在每个时钟周期t累积一次频率控制字k和n比特相位累加器，同时对2N进行模运算，将得到的和(用n比特的二进制数表示)作为相位值，以二进制码的形式调查正弦函数表ROM，得出ds的数学模型从ROM输出的数字正弦波序列通过数模转换器转换为阶梯模拟信号，最后通过低通滤波器平滑后，得到纯粹的正弦模拟信号，其频率如下。

相位累加器由n位加法器和n位加法寄存器的级联构成。 每个时钟fc，加法器将频率控制字k和从累计寄存器输出累计相位数据相加，并将加法结果发送至累计寄存器的数据输入端。 累计寄存器将加法器利用上一时钟脉冲生成的新相位数据反馈到加法器的输入端子，以便加法器根据下一时钟脉冲继续与频率控制字进行加法。 这样，相位累加器通过时钟，对频率控制字继续进行线性相位的累计。 由此可见，相位累加器

每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加1次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，就可将存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式的信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号[7]。

2 SPWM脉冲信号发生器的设计与FPGA仿真

2.1 总体框架

结合DDS来产生SPWM信号的方案已经有文献进行了研究[5，9-11]，其采用的框架如图4所示。

这里将DDS结构中的正弦查询表替换为SPWM信号查询表即可实现可调频率SPWM信号发生器。其中，SPWM查询表根据需要预先计算得出。

2.2 设计与仿真

设置三角载波的频率为100 kHz，正弦波的频率为10 kHz，调制度m取为1，调制系数n=100/10=10，即正弦波一个周期内与三角载波的交点为10个，这些交点及其数值可用Matlab软件仿真并求出。如图6所示。

本文使用100 MHz晶振作为FPGA的时钟信号。一个SPWM调制波周期含有10 000个晶振的时钟周期。由图6可以看出，1个周期的SPWM信号分为中心对称的前后两部分，可以由前半部分周期化后与相应倒相信号相乘得到。因此，在前半周期5 000个点中建立查询表。由于SPWM脉冲信号的值域为{0，1}，故查询表的程序表达十分简单。

其部分VHDL源代码如下所示：

if(count<7680)then

q_s<=′0′;

elsif(count<13815)then

q_s<=′1′;

elsif(count<15811)then

q_s<=′0′;

elsif(count<34189)then

q_s<=′1′;

elsif(count<36185)then

q_s<=′0′;

elsif(count<42320)then

q_s<=′1′;

else

q_s<=′0′;

end if;

2.3 仿真结果

在QuartusⅡ软件平台上进行仿真，仿真结果如图7所示。这里给出了100 kHz、90 kHz和99 kHz三种不同频率的SPWM脉冲信号。

从图7(a)~图7(c)的仿真图形可以看出本方案能够实现可调频SPWM脉冲信号的产生。

FPGA单元输出的SPWM开关信号控制双桥开关的通断，所产生的电流经滤波后由PZT（压电陶瓷变压器）提升电压，之后经单向二极管对储能电容（图中虚线框部分）进行高压充电。电压反馈信号用于启动与中止充电，以使储能电容的电压保持在预定电压值之上，足以进行高压点火。

由于FPGA产生的SPWM信号频率可调，于是可以方便地针对PZT压电陶瓷变压器的特性调整驱动信号的频率，很好地完成对压电陶瓷变压器的驱动。

本文设计了基于FPGA的可调频SPWM脉冲信号发生器，很好地解决了压电陶瓷变压器的驱动频率差异化造成的驱动困难或效果不佳的问题。