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基于FPGA+DSP的PWM逆变系统研究1.序言近几年，由于逆变电源的迅猛发展，呈现出多种PWM逆变的控制系统。有采用单片机和PWM专用芯片，通过反馈信号来实现对PWM波形的宽度的调节，从而获得稳定的输出。当控制电路设计完成后，就是一个相对独立的系统，调节、控制方式不能再更改，系统的总体协调功能差。由于DSP运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为PWM逆变控制应用提供了一条有效途径。但灵活性差，通用的DSP系统总体控制、协调性能不是很好，而且DSP开发过程比较复杂，开发工具价格昂贵。FPGA近几年快速发展，具有功能模块设计灵活，集成度高，速度快，设计周期短，应用在数字化电力电子设备中可硬大大简化控制系统结构，受到不少PWM逆变电源设计者的亲睐。但其不足就是：进行复杂计算时编程困难，而且模数转换和显示等功能都得依靠外部芯片。2.基于FPGA和DSP逆变系统的控制结构鉴于FPGA和DSP各自的优缺点，这里提出一种基于FPGA和DSP的PWM逆变系统控制结构。DSP内部结构已经固定，通过对RAM内部的指令和数据变换工作开发遵循嵌入式软件的设计原则。承担实现触发脉冲控制，显示和参数调节，系统检测信号处理，电流电压反馈信号计算等。FPGA内部结构是寄存器和组合逻辑（查找表），遵循逻辑电路设计原则。信号逻辑关系处理和PWM驱动信号的生成就交给FPGA来实现。图1系统框图主控板基于TMS32OLF2812DSP，它是整个系统的核心，主要实现触发脉冲控制，显示和参数调节，系统检测保护功能。通过键盘或旋钮输入控制命令和逆变器输出频率设定，DSP向FPGA送入需要的触发脉冲信息，同时检测保护信息并实时显示。还可以通过标准接口与外部系统进行通信，完成逆变器的智能管理和实时数据交互。辅助FPGA模块，输出多路触发脉冲至驱动电路，DSP仅发送控制命令和设置参数，使得脉冲触发电路具有可扩展性和通用性。3.通信接口设置DSP与FPGA之间的数据是双向传输的，本文采用FPGA内部双口RAM的IP核定制通讯接口，避免了额外的传输芯片。设计时，DSP和FPGA必须遵守相同的时序逻辑，具体在FPGA的程序设计中将详细介绍。DSP首先完成电平数目、调制比、载波周期、正弦波周期(即频率设定值)、死区值等初始化设置，设置完毕后，启动FPGA输出脉冲程序，同时读入一个功率单元的输出脉冲频率。数据采集当有故障信号时，封锁和清零触发脉冲。4.PWM波产生技术DSP完成数据采样及控制计算，实时将脉冲控制信号传给FPGA，FPGA负责完成PWM波形的产生。图2FPGA脉冲产生原理图4.1波形发生器原理DDS（直接数字频率合成器）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。有着比模拟电路更精确，更灵活的优点。主要由相位累加器，加法器，波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。图3DDS原理框图其中K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、fC为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟的控制下以步长K作累加，输出N位二进制码与相位控制字P，波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出D为的幅度码S(n)经D/A转换器变成阶梯S(t)，再经过低通滤波器平滑滤波后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅度码，因此DDS可以产生任意波形。5.总结FPGA和DSP都有各自的优缺点，结合外围芯片，两者均可各自承担PWM逆变系统的开发。逆变的飞速发展，不断地向大功率高压迈进，特别是多电平逆变的研究，一套系统中IGBT的数量成倍数递增。FPGA可以产生多路脉冲驱动波，但其数据分析计算面临重大困难；DSP可以实现复杂的数据计算，但其I/O口、存储空间的限制，以及多数目脉冲驱动的难以实现。所以，今后FPGA+DSP的硬件结构将是大功率高压逆变的主流。