基于Actel FPGA的PWM IP的应用

2009-09-08 周立功

　　脉冲宽度调制(PWM) 是英文“Pluse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，根据相应的载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，广泛应用于测量、通信、功率控制与变化等许多领域。
　　Actel公司免费提供PWM IP核：CorePWM。CorePWM是基于APB总线形式的，它的优点是可以连接到Core8051或者是CortexM1处理器上，方便用户进行SoC设计，本文将主要介绍CorePWM的原理与应用。
　　1. CorePWM介绍
　　(1) PWM的控制方法
　　采样控制理论中有一个重要结论：量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
　　现在，PWM控制技术主要有8种，分别为：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、非线性控制PWM和谐振软开关PWM。
　　在这里要重点介绍一下相电压控制PWM中的等脉宽PWM法。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压，等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种，它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化，相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。



　　如图 1所示为等脉宽PWM波。该PWM的高低电平分别为VH和VL，理想的情况VL等于0，但实际应用中一般不等于0，这也是实际应用中产生误差的一个重要原因。
　　(2) PWM的优点
　　PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因，从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
　　(3) CorePWM的结构框图
　　CorePWM的内部结构框图如图 2所示。它主要由时间基准发生器、PWM波形发生器和寄存器接口等模块组成。



　　● 时间基准发生器：接收PRESCALE和PERIOD寄存器的值，并产生一个0～255的周期计数。
　　● PWM波形发生器：用输入周期计数器和上升、下降沿寄存器的值进行比较，当计数值等于任何一个边沿寄存器的值的时候，就会产生一个相应的PWM波形输出，并且中断寄存器将会被更新。
　　● 寄存器接口：主要是提供PWM内核的APB总线协议的接口。
　(4) CorePWM内部寄存器



　　CorePWM内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。



　　为了使读者能够更加清楚CorePWM寄存器的使用，特举例进行说明，如图 3所示。
　　(5) 应用场合
　　

　　PWM主要用于电机控制等领域，图 4所示为使用CorePWM控制多路电机。
　　2. 小结
　　本文主要介绍了Actel FPGA的CorePWM IP核，除了CorePWM，Actel公司还提供了UART、SPI、I2C、Timer等IP核，请关注周立功公司的网站获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并能关注下期的FPGA专题技术讲座。