应用于嵌入式控制系统的多模式spwm信号发生器及其信号发生方法
【专利摘要】应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器及其信号发生方法，属于SPWM信号发生【技术领域】。本发明为了解决现有SPWM信号发生器采用软件实现，实时性差、可靠性低的问题。信号发生器包括全局时钟、内置ROM、正弦量发生器、移相器、定时器、三角量发生器、调制器和SPWM信号输出模块；信号发生方法包括提供基准工作时钟、根据基准工作时钟输出正弦量的数字值、传送数字值、移相处理获得处理后的正弦量信号、根据基准工作时钟产生触发信号、根据触发信号产生三角量、调制生成SPWM信号、输出并接收SPWM信号的步骤。本发明应用于嵌入式控制系统中。
【专利说明】应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器及其信号发生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器及其信号发生方法，属于SPWM信号发生【技术领域】。
【背景技术】
[0002]SPWM信号在运动控制领域应用非常广泛，特别是在电机拖动领域中，SPWM信号发生器是必须具备的条件之一。当前实现SPWM信号的主要技术是采用DDS模块产生SPWM信号，或者使用微控制器模拟SPWM信号的输出。前者需要专门的模块电路，其成本高，可靠性一般，不利用于嵌入式系统的MCU开发；而对于后者，由于一般的微控制器或DSP没有专门的SPWM生成模块，因此SPWM生成的功能一般需要采用软件实现，这将浪费大量资源，且耗时耗电，实时性差，可靠性低。至于采用模拟器件调制产生SPWM信号的方案就更是在系统复杂度和电磁兼容性方面显出了劣势。因而基于FPGA的SPWM内嵌模块表现出了巨大的优势，而Altera的Mega库中并不提供这一模块，就为系统开发带来了难度。
【发明内容】
[0003]本发明目的是为了解决现有SPWM信号发生器采用软件实现，实时性差、可靠性低的问题，提供了一种应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器及其信号发生方法。
[0004]本发明所述一种应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器,它包括:
[0005]用于为内置ROM、定时器、移相器、调制器和SPWM信号输出模块提供基准工作时钟的全局时钟；
[0006]用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟对正弦量发生器输出正弦量的数字值的内置ROM;
[0007]用于从内置ROM中取出所述正弦量的数字值并送给移相器的正弦量发生器；
[0008]用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟将处理后的正弦量信号送给调制器的移相器；
[0009]用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟对三角波发生器进行触发控制的定时器；
[0010]用于根据定时器的触发信号产生三角量，并将三角量送给调制器的三角量发生器；
[0011]用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的调制器；
[0012]用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的SPWM信号输出模块。
[0013]—种应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生方法,它包括:
[0014]用于提供基准工作时钟的步骤；[0015]用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟输出正弦量的数字值的步骤；
[0016]用于取出所述正弦量的数字值并传送的步骤；
[0017]用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟传送处理后的正弦量信号的步骤；
[0018]用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟产生触发信号的步骤；
[0019]用于根据触发信号产生三角量，并传送三角量的步骤；
[0020]用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的步骤；
[0021]用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的步骤。
[0022]本发明的优点:本发明的信号发生器或信号发生方法使用可编程逻辑器件在一片FPGA中集成，可集成任意个PWM模块，并且其模式可根据需要设置，成本低，具有较强的设计优势，它使用于多电机，尤其在多微特电机的控制中，用于实现速度或输出力矩的控制。
[0023]本发明为基于verilog HDL语言实现的模块，能够内嵌在FPGA或CPLD等可编程逻辑器件中使用中，可以自主设定基波频率和调制频率，并提供多路输出，支持多相控制，以为多相电机控制提供支持，既可以单独作为一个功能模块使用，也可以作为一个嵌入式系统的子模块使用，能够同其他嵌入式模块有机整合，针对不同的应用环境，实现特定的功能，它提供了高性能的外设接口控制。
[0024]本发明嵌入在FPGA或CPLD中，形成模块化设计，几乎不占用处理器资源，并且速度快、运行可靠，实时性好；它可根据实际需要灵活定制，对于不同的控制设备进行不同的功能和资源配置；可与其他控制模块高度整合，减少资源占用，提高系统效率；可有效降低成本，缩短开发周期，更新升级更加便捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明所述多模式SPWM信号发生器的原理框图；
[0026]图2是本发明所述多模式SPWM信号发生器采用Quartus II仿真器进行仿真输出的单路输出SPWM信号图；
[0027]图3是本发明所述多模式SPWM信号发生器采用Quartus II仿真器进行仿真输出的三路相位互差120度的三相SPWM波形图。
【具体实施方式】
[0028]【具体实施方式】一:下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器，它包括:
[0029]用于为内置ROM、定时器、移相器、调制器和SPWM信号输出模块提供基准工作时钟的全局时钟；
[0030]用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟对正弦量发生器输出正弦量的数字值的内置ROM;
[0031]用于从内置ROM中取出所述正弦量的数字值并送给移相器的正弦量发生器；
[0032]用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟将处理后的正弦量信号送给调制器的移相器；
[0033]用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟对三角波发生器进行触发控制的定时器；
[0034]用于根据定时器的触发信号产生三角量，并将三角量送给调制器的三角量发生器；
[0035]用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的调制器；
[0036]用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的SPWM信号输出模块。
[0037]本实施方式中，所有的组件都是在全局时钟的控制下完成各自功能的。内置ROM在初始化后，预存有模块所需的正弦量的数字值，其字长决定了正弦量的数字精度。调制器是本实施方式中的核心组件，它根据三角量的值将指定字长的正弦量调制成单路高低电平变化的SPWMfg号。为提闻其驱动能力，可在片外放置驱动芯片。
[0038]本实施方式所述SPWM信号发生器有多种工作模式，既可产生单路SPWM控制信号，亦可产生互差固定相位的多路SPWM波形，可为双相、三相、四相、六相电机控制提供支持。其基波频率和调制波频率均是可调的，可由用户根据应用条件进行定制，针对不同设备和不同应用场合，定制不同的子模块。
[0039]本实施方式除能产生SPWM信号外，亦能产生规定频率和占空比的PWM波形，可供不同用途的直流电机使用。
[0040]SPWM信号发生器能够在高速高精度嵌入式系统中应用。对于单位延迟8ns的FPGA，其全局时钟可以达到50MHz以上，有效载波频率可达5MHz ;三角量和正弦量的存储字长也可定制，可满足不同系统的精度要求。该信号发生器形成为固化的模块可以完全嵌入在基于FPGA的SoC中，由此可极大地降低系统开发成本，提高系统工作的可靠性。
[0041]SPWM信号发生器的基波频率和载波频率是可调的，通过改变内置ROM的深度和数据表，即硬调，以及正弦量发生器的采样率，即软调可以调节SPWM信号的基波频率；通过更改定时器设置，即硬调，和三角量发生器的采样率，即软调，可以调节SPWM的载波频率。根据不同的需要可以采用硬调和软调两种调节方式，从而可实现模块的灵活配置，使得其具有非常广泛的应用领域。
[0042]SPWM信号发生器有多种工作模式，可提供多路输出，能够根据输出的相数确定基波之间的相移，从而为两相电机、三相电机、六相电机等电机的驱动提供支持。此外，SPWM信号发生器不仅仅能产生SPWM信号，还可以生成不同应用场合的PWM信号，从而支持直流电机、步进电机等的运动控制。
[0043]通过Quartus II仿真器和Modelsim仿真器对本发明进行仿真测试,测试结果表明，SPWM信号发生器能够产生广泛频域内不同基频和调制频率的SPWM波形信号，能够产生两相、三相、六相等多种模式下的多路调制波。在生成的SPWM调制波驱动下，电机能够平稳、稳定运行。仿真获得的单路输出的SPWM信号如图2所示。
[0044]图3是仿真获得的三路相位互差120度的三相SPWM波形图，其可用于三相电机的控制。图3是三相调制波输出。
[0045]图2和图3所示仿真结果展示的是当寄存器字长为6位时产生的结果，精度较低，仅仅作为功能示意图。并且Quartus II提供的仿真器对仿真时间有限制，长字长寄存器仿真时可能不会展示全面。当该模块真正投入运行时，可根据实际需要调整寄存器的字长和调制波、基波的频率。在硬件调试中应用16位字长寄存器即可达到非常稳定的效果。
[0046]【具体实施方式】二:下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生方法，它包括:
[0047]用于提供基准工作时钟的步骤；
[0048]用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟输出正弦量的数字值的步骤；
[0049]用于取出所述正弦量的数字值并传送的步骤；
[0050]用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟传送处理后的正弦量信号的步骤；
[0051]用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟产生触发信号的步骤；
[0052]用于根据触发信号产生三角量，并传送三角量的步骤；
[0053]用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的步骤；
[0054]用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的步骤。
[0055]本实施方式所述SPWM信号发生方法有多种工作模式，既可产生单路SPWM控制信号，亦可产生互差固定相位的多路SPWM波形，可为双相、三相、四相、六相电机控制提供支持。其基波频率和调制波频率均是可调的，可由用户根据应用条件进行定制，针对不同设备和不同应用场合，定制不同的子模块。
[0056]本实施方式除能产生SPWM信号外，亦能产生规定频率和占空比的PWM波形，可供不同用途的直流电机使用。
[0057]SPWM信号发生方法能够在高速高精度嵌入式系统中应用。对于单位延迟8ns的FPGA，其全局时钟可以达到50MHz以上，有效载波频率可达5MHz ;三角量和正弦量的存储字长也可定制，可满足不同系统的精度要求。该信号发生方法形成为固化的模块可以完全嵌入在基于FPGA的SoC中，由此可极大地降低系统开发成本，提高系统工作的可靠性。
[0058]SPWM信号发生方法有多种工作模式，可提供多路输出，能够根据输出的相数确定基波之间的相移，从而为两相电机、三相电机、六相电机等电机的驱动提供支持。此外，SPWM信号发生方法不仅仅能产生SPWM信号,还可以生成不同应用场合的PWM信号,从而支持直流电机、步进电机等的运动控制。
[0059]通过Quartus II仿真器和Modelsim仿真器对本发明进行仿真测试,测试结果表明，SPWM信号发生方法能够产生广泛频域内不同基频和调制频率的SPWM波形信号，能够产生两相、三相、六相等多种模式下的多路调制波。在生成的SPWM调制波驱动下，电机能够平稳、稳定运行。仿真获得的单路输出的SPWM信号如图2所示。
[0060]图3是仿真获得的三路相位互差120度的三相SPWM波形图，其可用于三相电机的控制。
[0061]图2和图3所示仿真结果展示的是当寄存器字长为6位时产生的结果，精度较低，仅仅作为功能示意图。并且Quartus II提供的仿真器对仿真时间有限制，长字长寄存器仿真时可能不会展示全面。当该模块真正投入运行时，可根据实际需要调整寄存器的字长和调制波、基波的频率。在硬件调试中应用16位字长寄存器即可达到非常稳定的效果。
【权利要求】
1.一种应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生器,其特征在于,它包括: 用于为内置ROM、定时器、移相器、调制器和SPWM信号输出模块提供基准工作时钟的全局时钟； 用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟对正弦量发生器输出正弦量的数字值的内置ROM; 用于从内置ROM中取出所述正弦量的数字值并送给移相器的正弦量发生器； 用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟将处理后的正弦量信号送给调制器的移相器； 用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟对三角波发生器进行触发控制的定时器； 用于根据定时器的触发信号产生三角量，并将三角量送给调制器的三角量发生器； 用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的调制器； 用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的SPWM信号输出模块。
2.一种应用于嵌入式控制系统的多模式SPWM信号发生方法，其特征在于，它包括: 用于提供基准工作时钟的步骤； 用于预存正弦量的数字值，同时根据基准工作时钟输出正弦量的数字值的步骤； 用于取出所述正弦量的数字值并传送的步骤； 用于根据初始化时预设的相数，确定输出相应路数的正弦量信号，再根据正弦量的数字值对相应路数的正弦量信号进行移相处理获得处理后的正弦量信号，同时根据基准工作时钟传送处理后的正弦量信号的步骤； 用于根据预设时间值产生触发信号，并根据基准工作时钟产生触发信号的步骤； 用于根据触发信号产生三角量，并传送三角量的步骤； 用于根据所述三角量对所述处理后的正弦量信号进行调制，调制成单路高低电平变化的SPWM信号，并根据基准工作时钟输出SPWM信号的步骤； 用于根据基准工作时钟接收SPWM信号的步骤。
【文档编号】G05B19/418GK103728952SQ201410010938
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】于占东, 杨学博, 张爱华 申请人:渤海大学