专利名称：基于调制波周期归一化的spwm脉冲波产生系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统。
背景技术：
正弦脉冲调制(SPWM,Sinusoidal PulseWidthModulation)是一种可为电机调速、LED驱动、加热器驱动、逆变器或音响等设备提供数字控制方法的技术，是用三角载波与正弦调制波进行比较，产生与正弦调制波等效的一系列等幅不等宽矩形脉冲波形。采样控制理论中冲量等效原理:惯性系统被大小波形不同的窄脉冲变量作用时，如果其冲量对时间的积分相等，即可认为其作用效果基本相等，冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同指输出响应波形基本上是相同的。交流调速系统采用SPWM控制技术不仅能够及时、准确地实现变频变压的控制要求，更重要地是可以抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，降低或消除变频调速时电机的转矩脉动，提高电机的工作频率，扩大调速系统的调速范围。SPWM控制技术以其控制简单、灵活与动态响应好等优点成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也一直是人们研究的热点。SPWM脉冲波的计算需要数学模型。建立数学模型的方法有很多种，例如自然采样法、谐波消去法、等面积法、规则采样法、不规则采样法等。本发明基于自然采样法，结合谐波消去法和等面积法提出一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生方法，设计了一款基于此方法的新型片上脉冲宽度调制产生系统。本发明从硬件角度出发，以硬件实现代替软件实现，有一定的可操作性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，可以输出调制波周期归一化的SPWM脉冲波。为解决上述问题，本发明采用下述技术方案:
一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，包括SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON、SPWM周期寄存器0PT0/1、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1、8通道的16位加法器0/1、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1、2位分频计数器Clkmode0/l、16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l、16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/1和SPWM脉冲信号寄存器0/1以及I/O 口，其特征在于，所述各模块通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线相互连接。所述的SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON占用片上RAM地址00H，其低4位用于控制SPWM产生通道0，高4位用于控制SPWM产生通道1，其BIT3和BIT7分别用于控制SPWM脉冲波产生系统相应的SPWM产生通道0/1工作与否；其BIT2和BIT1、BIT6和BIT5用于控制2位分频计数器ClkmodeO/Ι的分频情况；其BITO和BIT4作为SPWM脉冲波产生系统16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l的使能信号,控制其运行与否。所述的SPWM周期 寄存器0PT0/1分别有一个16位的寄存器，占用片上RAM地址01H\02H和03H\04H (高8位和低8位)，用于保存SPWM脉冲波产生系统所设定的SPWM周期，为SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON移位寄存器组0/1提供输入值。所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1分别有8个16位的移位寄存器，用于储存调制波周期归一化的中间变量，以便通过8通道16位加法器0/1的计算得到调制波周期归一化的结果。所述的8通道的16位加法器0/1可以实现把作为调制波周期归一化中间变量的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1的值相加以得到调制波周期归一化的结果。该加法器0/1通过局部总线与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1和SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1相互连接。所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1分别有10个16位的缓存寄存器，用于储存调制波周期归一化的最终结果，以便与16位的脉冲计数器Pulse_Counter0/1进行比较。该缓存寄存器组0/1通过局部总线与8通道的16位加法器0/1和16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l相互连接。所述的2位分频计数器ClkmodeO/Ι分别有一个2位计数器，用于实现SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON所述的分频情况，作为计数时钟输入给16位脉冲计数器Pulse_CounterO/1。所述的16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l分别有一个16位计数器，占用片上RAM地址05H\06H和07H\08H (高8位和低8位)，用于实现SPWM脉冲波产生系统的基准计数器功能。该计数器Pulse_COunter0/l与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1各寄存器作为脉冲跳变比较器Pulse_COmpactOr0/l的输入信号。所述16位的脉冲跳 变比较器Pulse_CompactorO/l用于实现SPWM脉冲波产生系统的脉冲计数器Pulse_COunter0/l与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1的比较，当二者值相等的时候，输出为高电平，给SPWM脉冲信号寄存器0/1 —个上升沿信号。16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l通过局部总线与16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l和SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1以及SPWM脉冲信号寄存器0/1连接。所述的SPWM脉冲信号寄存器0/1分别有一个I位计数器，用于实现SPWM脉冲波产生系统的输出，当其时钟端有一个上升沿时，输出端信号发生翻转。所述的1/0 口包括复位信号端RST、SPWM信号输出使能端SPWM_EN、脉冲计数信号端Clock、读写使能端Wr_en和Rd_en、RAM地址信号端Address[3:0]、输入输出数据端Data_in/out[7:0]和SPWM信号输出端SPWM_out0/l，该1/0 口通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线与SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON、SPWM周期寄存器0ΡΤ0/1、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1、8通道的16位加法器0/1、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1、2位分频计数器ClkmodeO/Ι、16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l、16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l和SPWM脉冲信号寄存器0/1相互连接。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步:本发明基于自然采样法，结合谐波消去法和等面积法，提出一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲产生方法，从而设计出一种基于此方法的新型片上脉冲宽度调制产生系统。本发明从硬件角度出发，以硬件实现代替软件实现，具有可操作性。
图1是一个正弦调制波周期内正弦调制波与三角载波波形情况。图2是双极性SPWM脉冲波形解析图。图3是基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统结构框图。图4是基于调制波周期归一化的SPWM脉冲值的电路实现。 图5是SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组。
具体实施例方式下面结合附图以及优选实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例一:参见图3，本基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，包括SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)、SPWM周期寄存器0PT0/1 (2)、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)、8通道的16位加法器0/1 (4)、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0·/1 (5)、2位分频计数器ClkmodeO/1 (6),16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)、16 位的脉冲跳变比较器 Pulse_CompactorO/l (8)和 SPWM 脉冲信号寄存器0/1 (9)以及I/O 口(10)，其特征在于，所述各模块通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线相互连接。实施例二:参见图3至图5，本实施例与实施例一基本相同，特征之处如下: 所述的SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)占用片上RAM地址00H，其低4位用于控
制SPWM产生通道0，高4位用于控制SPWM产生通道1，其BIT3和BIT7分别用于控制SPWM脉冲波产生系统相应SPWM产生通道0/1工作与否；其BIT2和BITl、BIT6和BIT5用于控制2位分频计数器ClkmodeO/1 (6)的分频情况；其BITO和BIT4作为SPWM脉冲波产生系统16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)的使能信号，控制其运行与否。所述的SPWM周期寄存器OPTO/1 (2)分别有一个16位的寄存器，占用片上RAM地址01H\02H和03H\04H (高8位和低8位)，用于保存SPWM脉冲波产生系统所设定的SPWM周期，为SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)提供输入值。所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)分别有8个16位的移位寄存器，用于储存调制波周期归一化的中间变量，以便通过8通道16位加法器0/1
(4)的计算得到调制波周期归一化的结果。所述的8通道的16位加法器0/1 (4)可以实现把作为调制波周期归一化中间变量的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)的值相加以得到调制波周期归一化的结果。该加法器0/1 (4)通过局部总线与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)和SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)相互连接。所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1(5)分别有10个16位的缓存寄存器，用于储存调制波周期归一化的最终结果，以便与16位的脉冲计数器Pulse_Counter0/1 (7)进行比较。该缓存寄存器组0/1 (5)通过局部总线与8通道的16位加法器0/1 (4)和16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)相互连接。所述的2位分频计数器ClkmodeO/1 (6)分别有一个2位计数器，用于实现SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)所述的分频情况，作为计数时钟输入给16位脉冲计数器Pulse_CounterO/l (6)。所述的16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)分别有一个16位计数器，占用片上RAM地址05H\06H和07H\08H (高8位和低8位)，用于实现SPWM脉冲波产生系统的基准计数器功能。该计数器Pulse_C0unterO/l (7)与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1各寄存器作为脉冲跳变比较器Pulse_C0mpact0rO/l (8)的输入信号。所述的所述16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)用于实现SPWM脉冲波产生系统的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)的比较，当二者值相等的时候，输出为高电平，给SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9) 一个上升沿信号。16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)通过局部总线与16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)和SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (6)以及SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)连接。所述的SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)分别有一个I位计数器，用于实现SPWM脉冲波产生系统的输出，当其时钟端有一个上升沿时，输出端信号发生翻转。所述的I/O 口( 10)包括复位信号端RST、SPWM信号输出使能端SPWM_EN、脉冲计数信号端Clock、读写使能端Wr_en和Rd_en、RAM地址信号端Address [3:0]、输入输出数据端Data_in/out[7:0]和SPWM信号输出端SPWM_outO/l，该I/O 口( 10)通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线与SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)、SPWM周期寄存器0PT0/1 (2)、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)、8通道的
16位加法器0/1 (4),SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)、2位分频计数器Clkmode0/1 (6)、16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)、16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)和SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)相互连接。实施例三:以 下结合附图和实例对本发明做进一步说明，以下的描述仅用于理解本发明技术方案使用，不用于限定本发明的范围。本实施例利用Altera公司提供的DEl开发板实现基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统。根据系统设计要求利用FPGA开发工具Quartus II实现系统硬件开发，基于FPGA可编程器件进行基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统的SOC设计。系统设计包括基于调制波周期归一化的参数值计算和其硬件电路实现两大部分。基于调制波周期归一化的相对值计算是指离线计算三角载波与正弦调制波的联立方程组，计算出它们的交点(即SPWM脉冲开关点)相对时点值，为SPWM脉冲波产生系统中的移位寄存器和加法器设计提供理论依据。硬件电路实现主要是指运用硬件描述工具实现其RTL(register transfer level)级电路。本设计是基于Altera公司提供的DEl开发板完成整个系统的设计。以下对系统设计各环节进行分述:
1、基于调制波周期归一化的参数值计算:
基于调制波周期归一化的参数值计算是指离线计算三角载波与正弦调制波的联立方程组，计算出它们的交点(即SPWM脉冲开关点)相对时点值，为SPWM脉冲波产生系统主控模块中的移位寄存器和加法器设计提供理论依据。根据SPWM脉冲波产生的基本原理，正弦调制波与三角载波的交点正是SPWM脉冲宽度的起始点和停止点，也就是SPWM脉冲的开关点，按照这些交点进行SPWM脉冲宽度与间隙时间的采样，从而可生成控制SPWM脉冲的开关信号，便可生成所需要的SPffM脉冲波。基于调制波和载波的周期性，本文只需讨论在一个周期正弦调制波范围内载波和调制波的情况就可以得知所有周期内调制波与载波的情况。如图1一个正弦调制波周期内正弦调制波与三角载波波形情况所示，正弦调制波函数为=Usin=Um Asinwt (w=2 Jifn )。其中，t为正弦调制波函数自变量，Wt取值范围为0-2 η ,正弦调制波周期t0=2 n /w=2 η / (2 n fn)=l/fn,fn为正弦调制波频率，A为三角载波幅值，Uffl为幅值调制比，即正弦调制波与三角载波的幅值比，取值范围为0-1。基于调制波与载波之间的调制载波比关系，便可由正弦调制波各参数得出三角载波的相关各参数，三角载波周期为2 π /nw，其中η为调制载波比(即每个正弦调制波周期内有η个三角载波)，三角载波的幅值为Α，则三角载波上升与下降两个斜率分别为2Anw/ η与-2Anw/ η ,三角载波的函数为:Ucarrier =
权利要求
1.一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，包括SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I),SPWM 周期寄存器 OPTO/1 (2),SPWM 脉冲开关点 ON_OFF\OFF_ON 移位寄存器组0/1 (3)、8通道的16位加法器0/1 (4),SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON缓存寄存器组 0/1 (5)、2 位分频计数器 Clkmode0/1 (6)、16 位的脉冲计数器 Pulse_CounterO/l (7)、16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)和SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)以及I/O 口(10)，其特征在于，所述各模块通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线相互连接。
2.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的SPWM方式控 制寄存器SPWMMODCON (I)占用片上RAM地址00H，其低4位用于控制SPWM产生通道0，高4位用于控制SPWM产生通道1，其BIT3和BIT7分别用于控制SPWM脉冲波产生系统相应的SPWM产生通道0/1工作与否；其BIT2和BIT1、BIT6和BIT5用于控制2位分频计数器ClkmodeO/1 (6)的分频情况；其BITO和BIT4作为SPWM脉冲波产生系统16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)的使能信号，控制其运行与否。
3.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的SPWM周期寄存器0PT0/1 (2)分别有一个16位的寄存器，占用片上RAM地址01H\02H和03H\04H (高8位和低8位)，用于保存SPWM脉冲波产生系统所设定的SPWM周期，为SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)提供输入值。
4.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)分别有8个16位的移位寄存器，用于储存调制波周期归一化的中间变量，以便通过8通道16位加法器0/1 (4)的计算得到调制波周期归一化的结果，该移位寄存器组0/1 (3)通过局部总线与SPWM周期寄存器0PT0/1 (2)和8通道16位加法器0/1 (4)相互连接。
5.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的8通道的16位加法器0/1 (4)可以实现把作为调制波周期归一化中间变量的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)的值相加以得到调制波周期归一化的结果。该加法器0/1 (4)通过局部总线与SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)和SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)相互连接。
6.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)分别有10个16位的缓存寄存器，用于储存调制波周期归一化的最终结果，以便与16位的脉冲计数器Pulse_Counter0/1 (7)进行比较。该缓存寄存器组0/1 (5)通过局部总线与8通道的16位加法器0/1 (4)和16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)相互连接。
7.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的2位分频计数器ClkmOde0/l(6)分别有一个2位计数器，用于实现SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)所述的分频情况，作为计数时钟输入给16位脉冲计数器Pulse_Counter0/1 (6)。
8.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)分别有一个16位计数器，占用片上RAM地址05H\06H和07H\08H (高8位和低8位)，用于实现SPWM脉冲波产生系统的基准计数器功能。该计数器Pulse_C0unterO/l (7)与SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON缓存寄存器组0/1各寄存器作为脉冲跳变比较器Pulse_CompaCtor0/l (8)的输入信号。
9.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的所述16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)用于实现SPWM脉冲波产生系统的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)与SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON缓存寄存器组0/1 (5)的比较，当二者值相等的时候，输出为高电平，给SPWM脉冲信号寄存器0/1(9)一个上升沿信号。16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)通过局部总线与16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)和SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON缓存寄存器组0/1 (6)以及SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)连接。
10.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)分别有一个I位计数器，用于实现SPWM脉冲波产生系统的输出，当其时钟端有一个上升沿时，输出端信号发生翻转。
11.根据权利要求1所述的基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统，其特征在于，所述的I/O 口( 10)包括复位信号端RST、SPWM信号输出使能端SPWM_EN、脉冲计数信号端Clock、读写使能端Wr_en和Rd_en、RAM地址信号端Address[3:0]、输入输出数据端Data_in/out[7:0]和SPWM信号输出端SPWM_outO/l，该I/O 口( 10)通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线与SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON (I)、SPWM周期寄存器0PT0/1 (2)、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N移位寄存器组0/1 (3)、8通道的16位加法器0/1 (4)、SPWM脉冲开关点0N_0FF\0FF_0N缓存寄存器组0/1 (5)、2位分频计数器ClkmodeO/Ι (6)、16位的脉冲计数器Pulse_CounterO/l (7)、16位的脉冲跳变比较器Pulse_CompactorO/l (8)和SPWM脉冲信号寄存器0/1 (9)相互连接。
全文摘要
本发明涉及一种基于调制波周期归一化的SPWM脉冲波产生系统。本系统包括SPWM方式控制寄存器SPWMMODCON、SPWM周期寄存器OPT0/1、SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON移位寄存器组0/1、8通道的16位加法器0/1、SPWM脉冲开关点ON_OFF\OFF_ON缓存寄存器组0/1、2位分频计数器Clkmode0/1、16位的脉冲计数器Pulse_Counter0/1、16位的脉冲跳变比较器Pulse_Compactor0/1和SPWM脉冲信号寄存器0/1以及I/O口。该系统内各模块通过控制总线、地址总线和数据总线三大总线以及局部总线相互连接。本发明从硬件角度出发，以硬件实现代替软件实现，有一定的可操作性。
文档编号H03K7/08GK103219971SQ201310137528
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者胡越黎, 江超, 张科科, 杨镇遥 申请人:上海大学