1 引言
脈寬調(diào)制器是實現(xiàn)高性能pwm變頻調(diào)速的關鍵環(huán)節(jié)。與普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)中的pwm相比，其pwm不僅要實時控制調(diào)制波的幅度，而且要控制其相位，要求調(diào)制器按照閉環(huán)控制給出的調(diào)制波幅度與相位，實時進行pwm調(diào)制。目前，實現(xiàn)pwm調(diào)制器的方案種類繁多。以往的硬件方式電路復雜，數(shù)據(jù)存儲量大，定時器花費較高^[1,2]；軟件方式則由于受到微處理器在線運算速度的限制，難以實現(xiàn)高開關頻率的pwm；專用ic方式就目前常見的芯片而言，有許多不盡人意的方面，比如hef4752不宜于較高的開關頻率，sle4520雖然開關頻率較高，但它采用的是單邊調(diào)制^[3]，波形對稱性差，使調(diào)制效果大為遜色；滯環(huán)控制是一種應用較多的產(chǎn)生pwm調(diào)制開關信號的簡便方法，但存在的主要缺點是開關頻率高低懸殊而且不定。本文對pwm的一種非對稱規(guī)則采樣原理進行研究，給出宜于在線運算的簡便算法，并在此基礎上提出一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array—fpga)的鎖相同步型pwm調(diào)制器的數(shù)字化實現(xiàn)方法。該方法以fpga及rom作為可編程定時器，高開關頻率基本固定，調(diào)制比與相位、頻率可以分別獨立控制，特別適用于高性能pwm變頻器^[4]。由于整個系統(tǒng)是由一片fpga來控制，節(jié)省了大量的模擬器件，簡化了電路板設計，提高了系統(tǒng)的靈活性、精確性和可靠性。而且利用fpga的系統(tǒng)編程功能, 使系統(tǒng)的升級換代十分方便。

2 非對稱規(guī)則采樣原理
眾所周知，對稱規(guī)則采樣法通常只在載頻三角波頂點(或底點)位置對調(diào)制波采樣形成階梯波。此階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的。非對稱規(guī)則采樣法，既在三角波的頂點又在底點時刻對調(diào)制波進行采樣，由采樣值形成的階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱。在正弦波調(diào)制的情況下，非對稱規(guī)則采樣所形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣時更接近正弦，調(diào)制效果接近自然采樣。此外，非對稱規(guī)則采樣的一個突出特點是計算簡單，便于在線實時運算。

圖1 非對稱規(guī)則采樣pwm示意圖

圖2 脈沖寬度計算示意

圖1示出非對稱規(guī)則采樣pwm原理。圖1中：載頻三角波與調(diào)制正弦波比較,在每一個載波半周期的起始點(對應于三角波頂點和底點)，對調(diào)制信號進行采樣，此采樣值的大小與相應的調(diào)制脈沖占空比的定量關系可通過圖2所示一個載波周期予以說明：在該周期tc的起點t_n-1時刻對調(diào)制波的采樣值vr，在前半周期[t_n-1,t_n]內(nèi)得以保持，同時以此值與三角波比較，其交點q的位置決定了該半周期內(nèi)調(diào)制脈沖由負到正的跳變時刻，即決定了負脈沖定時寬度t_-。在圖2中應用相似三角形對應邊的比例關系可得：

即t_-=(1-v_r)t_c/4(-1＜v_r＜1) (1)
同理，根據(jù) 時刻的采樣值可以計算后半周期[tn，tn+1]內(nèi)的正脈沖寬度t+，其計算公式為:t₊=(1+v_r)t_c/4(-1＜v_r＜1) (2)
將一個載波周期tc中的前后半周對應的兩個脈沖“背靠背”拼接在一起便構成一個非對稱規(guī)則采樣調(diào)制脈沖。分析式(1)、(2)兩式可知，當vr=0時，t₊=t_-=t_c/4，即占空比d=50%；當0＜v_r＜1時，有t_c/4＜t₊＜t_c/2和0＜t_-＜t_c/4(d＞50%)；當-1＜v_r＜0時，依此類推。換言之，對應于調(diào)制信號的正負交變，占空比d 在50%上下波動。這正是兩點式pwm的基本特征。若根據(jù)式(1)、(2)，以軟件配合定時器方式完成pwm調(diào)制，只需進行一次加減和一次乘法，特別適合于實時在線運算。從圖1所示的一個完整的正弦波調(diào)制周期可見，非對稱規(guī)則采樣pwm具有四分之一波對稱性，故不含偶次諧波。不過基波分量比原調(diào)制波滯后恰好半個采樣周期，這需要在實際控制當中加以補償^[5-6]。

3 數(shù)字存儲組合硬件實現(xiàn)
上述非對稱規(guī)則采樣pwm，可采用單片機內(nèi)部可編程定時器實現(xiàn)，其定時寬度可通過式(1)、(2)在線計算而得。若采用fpga中的rom作可編程定時器，毋需定時寬度的在線運算，一方面為微處理器騰出更多的時間來完成更高級的系統(tǒng)處理，另一方面也可以提高調(diào)制器的開關頻率和響應速度，且運行可靠性增加^[7-8]。
鑒于本方案要存儲的數(shù)據(jù)量較大，經(jīng)綜合考慮選用了altera的stratix系列的fpga，它有超過79,000個邏輯單元和超過7mb的存儲容量，自帶多個鎖相環(huán)，特別適合應用于本方案。其硬件實現(xiàn)方案如圖3所示，除單片機以外全部由fpga實現(xiàn)。eprom₁和eprom₂是在fpga中開辟的兩個rom存儲空間，用于存儲離線計算好的數(shù)據(jù)(以前的fpga需要配合相應的配置芯片以防止掉電信息丟失，而目前的很多fpga已經(jīng)將配置芯片集成到了內(nèi)部)。由單片機根據(jù)pwm可逆整流器系統(tǒng)閉環(huán)控制算法結果，為調(diào)制器輸出三種調(diào)制信息，即正弦波頻率、相位和幅度，其中前兩者以工頻矩形波vi輸出，作為數(shù)字鎖相環(huán)(pll)的參考輸入信號；幅度信息通過并行口輸出給eprom2的高7位地址線a₁₅～a₉。

圖3 硬件電路原理

pll與計數(shù)器cnt₁、cnt₂構成倍頻器，同時保證了pwm調(diào)制頻率與相位鎖定于v_i(上升沿有效)。eprom₁存儲128種占空比脈沖定時模式，占空比依次從128/256到255/256，由地址線a₁₄～a₈予以選擇，客觀上起著可編程定時的作用。每一種占空比定時模式占用256字節(jié)，在計數(shù)器cnt₁周而復始的掃描檢索下，數(shù)據(jù)線上輸出相應占空比的脈沖序列。eprom₁的每種占空比定時模式的d₃～d₀位存儲脈沖格式如圖4所示，d₃位存儲的是占空比d≥50%“先0后1”形脈沖(稱作a型)，d₁位是占空比d≥50%的“先1后0”形(稱作b型)，d₂、d₀依次分別與d₁、d₃互補，或者說是d≤50%的a、b型脈沖。實際上圖1中所示pwm波的每一載波半周期對應的脈沖形式，不外乎這四種，只需通過多路選擇器(74hc153)對d₃～d₀之一進行適當?shù)挠行蜻x擇即可。d₇～d₄留作備用，比如安排存儲其它采樣模式。pwm_a，b，c三者的存儲內(nèi)容完全相同。

圖4 占空比定時模式的存儲格式

eprom₂中可以存儲128種幅度調(diào)制比m各異的數(shù)字化正弦模式，通過地址線a₁₅～a₉來選擇。m的分辨率為1/128 ，每一種單周期正弦模式占用512字節(jié)。隨著cnt2計數(shù)過程的周而復始，對eprom₂進行周期性掃描檢索，數(shù)據(jù)線d₆～d₀上依次輸出正弦波各瞬時幅度對應的占空比量化值(相當于eprom₁的定時常數(shù))。eprom₂中所存儲的正弦模式，都是按照非對稱規(guī)則采樣方式，根據(jù)(1)、(2)式離線計算已就的占空比(定時常數(shù))的有序排列。正弦波的正負半周對應于相同的占空比序列，只是通過極性標識位d₇加以區(qū)分，比如正半周對應于d₇=0，負半周d₇=1。此d₇位與cnt₂的最低位q₈組合，用來作為“4選1”開關的選通控制信號，其選通真值表見附表。實際上q₈=0和1依次對應于圖1中每個載波周期的前、后半周，比如圖1中的[t₁，t₅]時段內(nèi)的四個半周期，多路選擇器依次選通d₃-d₁-d₂-d₀，剛好可以在輸出端y拚合出[t₁，t₅]所示pwm波形。不難看到，通過多路選擇器的加入與極性信號d₇及q₈的作用，使占空比定時模式的存儲量壓縮一半。eprom2_a，b，c三者所存儲的正弦模式相同，只是彼此互差120°相移^[9-10]。
單穩(wěn)的微小延時與鎖存器l2配合作用，以克服由于器件延時造成的多路數(shù)據(jù)到達輸出的不同步。鎖存器l1保證了非對稱規(guī)則采樣所確定的“定時常數(shù)”恰好在每個半載波周期的起始時刻一致到位于eprom₁可編程定時器。

4 實驗結果
在實踐中，筆者將三相pwm變頻器主電路運行于有源逆變方式，以y接r-l作負載兼濾波(r=10ω，l=26mh)，調(diào)制頻率依照雙向ac/dc變換器要求取50hz，調(diào)制器開關頻率為19.2khz。實驗表明，負載電流為完好的三相對稱正弦波。當作用于eprom₂的a₁₅～a₉調(diào)制比信號從2fh躍變?yōu)?fh時(即a₁₅由“0”變?yōu)椤?”，其它6位不變，相當于調(diào)制比從0.367到0.867的一個階躍給定)，以a₁₅的上升沿作為數(shù)字存儲示波器的單次觸發(fā)信號，所捕捉的輸出負載電流的階躍響應波形如圖5所示，隨著a₁₅信號上升沿的出現(xiàn),負載正弦電流從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡幾乎是瞬間完成的。

圖5 調(diào)制比階躍給定下的負載電流響應

對圖3所示的pwm可逆整流器的脈寬調(diào)制器稍加修改：保持cnt₁對eprom₁的掃描頻率(決定著pwm開關頻率)恒定，而將cnt₂對eprom₂的掃描頻率(決定著pwm調(diào)制頻率)改為獨立可控，可實現(xiàn)高性能變頻調(diào)速的pwm調(diào)制。實驗證明，本文提出的基于fpga的全數(shù)字化pwm調(diào)制方案及非對稱規(guī)則采樣pwm調(diào)制方案之優(yōu)良的時間響應特性。

5 結束語
本文所提出的pwm非對稱規(guī)則采樣方法，由于計算簡便，特別適合于微處理器的在線運算，主要以軟件方式實現(xiàn)；同時fpga的使用，使系統(tǒng)的硬件設計大為簡化，更新?lián)Q代更加方便，運用fpga中的rom作可編程定時器，幾乎不占用cpu的時間，具有響應速度快，實時性強，可靠性高等特點，加之采用了鎖相同步環(huán)節(jié)，宜于pwm可逆整流器和高性能變頻調(diào)速實現(xiàn)高開關頻率的脈寬調(diào)制。

作者簡介
余翠玲(1964-) 女 工程師，主要從事變頻器及計算機應用方面的工作。

參考文獻
[1] mohan, undeland, robbins. power electronics—converters, applications, and design(third edition). 北京:高等教育出版社,2004
[2] 比馬爾 k.博斯.現(xiàn)代電力電子學與交流傳動.北京:機械工業(yè)出版社,2004
[3] 丁學文. 4520的局限和改進. 電力電子技術,1993,27(4): 59-61
[4] 張崇巍,張興. pwm整流器及其控制. 北京:機械工業(yè)出版社,2003(10)
[5] 蔡宣三,龔紹文. 高頻功率電子學. 北京:科學出版社,1993
[6] 邢巖,蔡宣三. 高頻功率開關變換技術. 北京:機械工業(yè)出版社,2005
[7] 朱士海,吳衛(wèi)民,錢照明. 一種新型高性能功率因數(shù)校正整流電路. 電工電能新技術,2003,22(4):68-71