Actel FPGA的PWM IP的應(yīng)用

脈沖寬度調(diào)制(PWM)是英文“Pluse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變化等許多領(lǐng)域。

Actel公司免費(fèi)提供PWM IP核：CorePWM。CorePWM是基于APB總線(xiàn)形式的，它的優(yōu)點(diǎn)是可以連接到Core8051或者是CortexM1處理器上，方便用戶(hù)進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)，本文將主要介紹CorePWM的原理與應(yīng)用。

1. CorePWM介紹

(1) PWM的控制方法

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

現(xiàn)在，PWM控制技術(shù)主要有8種，分別為：相電壓控制PWM、線(xiàn)電壓控制PWM、電流控制PWM、空間電壓矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、非線(xiàn)性控制PWM和諧振軟開(kāi)關(guān)PWM。

在這里要重點(diǎn)介紹一下相電壓控制PWM中的等脈寬PWM法。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓，等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種，它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化，相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。

如圖 1所示為等脈寬PWM波。該P(yáng)WM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但實(shí)際應(yīng)用中一般不等于0，這也是實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生誤差的一個(gè)重要原因。

(2) PWM的優(yōu)點(diǎn)

PWM的優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因，從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

(3) CorePWM的結(jié)構(gòu)框圖

CorePWM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。它主要由時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)生器、PWM波形發(fā)生器和寄存器接口等模塊組成。

● 時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)生器：接收PRESCALE和PERIOD寄存器的值，并產(chǎn)生一個(gè)0～255的周期計(jì)數(shù)。

● PWM波形發(fā)生器：用輸入周期計(jì)數(shù)器和上升、下降沿寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于任何一個(gè)邊沿寄存器的值的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的PWM波形輸出，并且中斷寄存器將會(huì)被更新。

● 寄存器接口：主要是提供PWM內(nèi)核的APB總線(xiàn)協(xié)議的接口。

(4) CorePWM內(nèi)部寄存器

CorePWM內(nèi)部所有的寄存器都是八位的，CorePWM寄存器的寄存器描述如表 1所示。

為了使讀者能夠更加清楚CorePWM寄存器的使用，特舉例進(jìn)行說(shuō)明，如圖 3所示。

(5) 應(yīng)用場(chǎng)合

PWM主要用于電機(jī)控制等領(lǐng)域，圖 4所示為使用CorePWM控制多路電機(jī)。

2. 小結(jié)

本文主要介紹了Actel FPGA的CorePWM IP核，除了CorePWM，Actel公司還提供了UART、SPI、I2C、Timer等IP核，請(qǐng)關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站獲得更多的信息。我們有著一個(gè)接近30人的FPGA團(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的售后服務(wù)，解決用戶(hù)在產(chǎn)品使用和研發(fā)過(guò)程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會(huì)竭誠(chéng)為您服務(wù)，并能關(guān)注下期的FPGA專(zhuān)題技術(shù)講座。