FPGA控制的智能化节能设备

1 前言
据了解，我国照明用电约占社会总用电量的 12％，而城市公共照明则在我国照明耗电中约占 30％，每年达到 439亿度左右。以平均电价 0．65元／度计算，每年开支高达 285亿元[1]。调查显示：城市道路的人流量和车流量会随着时间而逐渐地降低，而 12点过后则会显著降低--与之相随的是对光照要求和实际用电需求的降低。而且，一些路灯照明系统在夜晚用电低谷时段，由于供电电压的升高，消耗的功率更高。这种模式的路灯照明系统每年无谓的消耗了巨额电量，给原已紧张的能源局势雪上加霜，造成了巨大的浪费。
根据人体视觉对光线适应的理论，人眼对光线的感觉和光线成对数关系，即光照降低 10%，而人的视觉仅降低 1%，因此适当降低光照可以节能而并不影响人的视觉 [2]。本文利用 FPGA[3]芯片设计了一个 SPWM波生成器驱动 IGBT逆变器的电源，具有自动降压功能，可以一个较小值缓慢降低，到夜间 12点后以最小工作电压工作以降低功耗。它具有频谱纯度高，精度高，全数字化，可以实现以数字为基础的程控化、智能化，不仅性能指标有了质的飞跃，功能也更为强劲，操作更加简便。

2 电源控制器的原理
2.1 DDS 的工作原理及其特点基本 DDS的结构框图 [4]如图 1所示。主要由相位累加器、相位调制器、 ROM查找表、 D/A以及低通滤波器组成。频率字和相位字分别控制输出信号的频率和相位。DDS的核心是 N位的相位累加器。在时钟脉冲控制下，相位累加器不断对频率控制字 K进行累加，将累加器的输出作为读波形存储器 ROM的地址，读出波形数据，然后再进行调幅、数模转换、滤波从而得到光滑的
波形信号。在整个过程中相位累加器进行的是线性累加，当累加满时便产生溢出，一个周期完成。相位累加器这个产生溢出的频率就是 DDS的输出频率。设频率控制字为 K，相位累

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2.2 SPWM基本原理
SPWM调制的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦规律变化，可以有效地抑制输出电压中的低次谐波分量，使输出波形为含有高频调制信号的近似正弦的交变电压。实现 SPWM调制的方法很多，采样型 SPWM法是其中一种较常用的方法，它分自然采样法、规则采样法，而规则采样法中又有对称规则采样法与不对称规则采样法。本系统中 ,实际的参考正弦信号是由 DDS产生的数字式正弦信号，因此，在 SPWM产生电路中，实际用作参考信号的是有台阶的正弦信号，如图 2所示。数字正弦波信号的频率和幅度分辨率精确可调，数字三角波信号发生器产生幅值不变的三角波 (称为载波 ) 信号，将它们进行比较，由两者的交点来确定 SPWM波形的高低电平。分析表明，不对称规则采样所形成的阶梯波比对称规则采样时更接近于正弦波，这种方法也更适合于数字方法实现，所以本系统采用的是不对称规则采样的方法。
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3 控制器的组成结构图 3所示的是 SPWM控制系统的结构图。它主要由 DDS模块、三角波产生模块，幅度调节模块、比较器、死区控制模块等组成。

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3.1 内部整体介绍
以 A相为例， DDS模块产生的正弦波信号通过调幅模块进行幅度调整，实现输出波形幅度符合系统要求。此正弦波信号与三角波计数器产生的三角波信号相比较产生一组脉宽不等的方波信号加至死区控制模块。死区控制模块将脉宽波分为正负相对的两组信号，并且两组信号间具有死区时间，这就是所要求的 SPWM波形，将它加到 IGBT逆变电路中就可以进行相应的功率调整了。通过改变正弦波的幅度而改变 SPWM波的脉宽比例，实现所要求的电压调整。
3.2 正弦波与三角波的产生
正弦波的生成是由 DDS模块产生，再通过移相器产生三路相位相隔 120o的正弦波数字信号。在本系统的 ROM中的查表数据是将整个周期的正弦波分成 1024 份，计算各分点的幅值，化整为 16进制的数码，依次存放在从零单元开始的 ROM存贮器中，形成数据表格。将相位累加器或相位调制器输出的相位数据作为取样地址,来寻找正弦 ROM表进行相位到幅度的变换,输出不同的幅度编码[5]。三角波的生成为 11位的加减计数器，它从 000H计数到 7FFH，然后再从 7FFH计数到 000H，周而复始，便得到完整的三角波。三角波计数器的时钟是外加的载波时钟 SC_CLK。通过两组数据的相比较产生脉宽不等的方波信号。
3.3 幅度调节模块
幅度调节模块是控制正弦波的输出幅度，从而控制SPWM的脉冲宽度，实现自降压功能。这一功能是通过乘法器来实现的，具体实现方法是先乘上一个携带调制信号的数，范围从 00H到3FFH，然后再除以3FFH即可。在本系统中，采用的是ALTERA公司已定义好的乘法器宏模块。它具有高效率和高可靠性，而且是优化的模块，有较快的反应时间，可以满足系统的高效要求。通过外接的采样电压决定 Au_d，控制电压的上升或降低；通过 555定时器的脉冲驱动AD，实现定时调压。在本系统中，降压幅度可精细到0.2V，所以不会产生突变。在此，电压的调高主要用于供电的突然降低情况下的保护，保证路灯的照明。
3.4 死区控制
为了保护 IGBT，防止上下桥臂同时导通而烧毁器件，设计了死区模块，它可根据实际需要设置死区时间，在本文中死区时间为 200 ns。死区发生器由死区计数器和一些组合逻辑组成，使同相的上下桥臂驱动信号错开一个死区时间，以防止功率器件短路。图 4所示的为放大后具有死区时间的局部波形。

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4 实验结果
本系统选用的是 ALTERA公司的 Cyclone系列的 EP1C3T144C8芯片，操作系统为 Quartus II 6.0。但由于 Quartus II软件自带的波形仿真系统无法观察内部信号波形以及正弦波和三角波的模拟显示，所以采用第三方仿真软件 ModelSim进行波形仿真，它可以直观地看到各个内部节点处的波形，并且可以实现模拟信号输出。完整的 SPWM仿真波形如图 5所示。此仿真图是在载波频率为 5KHz情况下的采样结果。将六路 SPWM波分别加至三相 IGBT逆变器上，经电感滤波后即可产生大功率的纯正弦波来驱动路灯系统。
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5 结束语
利用 FPGA的高速、高集成度、易于编程的特点并结合 DDS的高精度优点，设计了一个 SPWM控制器，使得用户可以根据实际需要高速、高效地控制系统。本设计不仅可用于路灯的节能方面，稍加修改即可用于工厂电机的变频节能控制，具有广阔的应用前景。本文作者的创新点：以高速、高集成度的 FPGA芯片 EP1C3T144C8作为控制核心，结合 DDS和 SPWM技术实现大功率可调电源，满足了路灯系统节能调压和智能化的工作要求，适应了我国节能的发展方向。