文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)03-0020-03
目前，汽車工業已成為我國經濟的支柱產業和可持續發展行業。安全、環保、節能是衡量現代汽車技術發展水平的三個主要指標，而安全居首位。隨著人民生活水平的提高，越來越多的用戶會選擇中高端配置的、更安全的汽車。這些都促進了高性能汽車安全氣囊系統的研發。安全氣囊點火系統的關鍵是系統的精準實現，其核心是采用高性能高壓變換技術，高效地獲取多點點火的發火能量。現有安全氣囊由于點火系統原因，在可靠性、準確性等方面存在不足。而壓電陶瓷變壓器具有無電磁干擾且不受電磁干擾、能量轉換效率高、功率密度大、耐輻射、耐高溫、無噪聲、可靠性高、結構簡單、不怕短路燒毀、電源安全性高、體積小、重量輕等特點，將壓電變換器應用于汽車安全氣囊點火系統，為安全氣囊點火系統的高壓變換電路實現提供了一個新的技術途徑,安全與環保相結合，將提高可靠性和準確性。
安全氣囊點火系統由中央電子控制器(ECU)、壓電高壓變換器模塊和多點起爆模塊構成，其結構如圖1所示。
壓電陶瓷變壓器采用正弦脈寬調制，即SPWM(Sinusoidal PWM)型電壓驅動, 但是壓電變壓器不是對任何頻率的輸入電壓都有變壓作用。在頻率等于壓電變壓器固有頻率時，在驅動電壓激勵下，可使壓電變壓器處于諧振狀態，此時沿其長度方向的振動最強，才有變壓作用。當變換器的等效電路處于諧振時，壓電變壓器電壓增益最大[1]。而其固有頻率由多種因素決定，差異很大，這就要求壓電陶瓷變壓器的驅動具有較寬的頻率范圍，而通常使用的晶振一類的頻率源元件不能滿足這個條件。本文利用FPGA技術,根據SPWM自然采樣法原理, 結合DDS（直接數字式頻率合成器）技術，設計了應用于壓電陶瓷變壓器的SPWM脈沖信號發生器。
1 所采用的主要技術
1.1 SPWM技術
SPWM法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化并與正弦波等效的PWM波形(即SPWM波形)控制開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等。
產生SPWM信號有多種方法，如諧波消去法、等面積法、自然采樣法等[2]，本文采用自然采樣法。自然采樣法用一組等腰三角形波與一個正弦波比較，其交點作為開關管開或關的時刻[3-4]，該方法可以準確求取脈寬及脈沖間隙時間。根據所用調制三角波的不同，自然采樣法可以分為單極性三角波調制法和雙極性三角波調制法[5]。本文采用的是單極性調制法，其原理圖如圖2所示。
由圖2可以看出，正弦波與三角波的交點正是SPWM 控制脈沖的起始點和停止點，也就是SPWM波的開關點。為了求出這些交點所對應的時刻，按照正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度與間隙時間的采樣，從而生成SPWM控制脈沖的開關時刻[6]。
1.2 DDS技術
DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產生波形。DDS是從相位概念出發，直接對參考正弦信號進行抽樣，得到不同的相位。通過數字計算技術產生對應的電壓幅度，最后濾波平滑輸出所需頻率[7]。DDS的原理框圖如圖3所示。它包括相位累加器、波形存儲器、數/模轉換器、低通濾波器（LPF）和參考時鐘5部分。
圖中，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長，M為ROM地址線位數，m為ROM數據線位數(即DAC的位數)，fc為DDS系統的參考時鐘源。通常是一個具有高穩定性的晶體振蕩器，為整個系統的各個組成部分提供同步時鐘。DDS的基本工作原理：在參考時鐘的控制下，相位累加器對頻率控制字M進行線性疊加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經過數/模轉換器得到相對應的階梯波，最后經過低通濾波器得到連續變化的所需頻率的波形[8]。
DDS的數學模型可歸結為：在每一個時鐘周期T內, 頻率控制字K與N位相位累加器累加1次, 同時對2N取模運算，得到的和（以N位二進制數表示）作為相位值，以二進制代碼的形式查詢正弦函數表ROM，再將相位信息轉變成相應的數字量化正弦幅度值。ROM輸出的數字正弦波序列經數/模轉換器轉變為階梯模擬信號，最后通過低通濾波器平滑后得到一個純凈的正弦模擬信號，其頻率為：
相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每來一個時鐘脈沖fc，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加1次，相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，就可將存儲在波形存儲器內的波形抽樣值（二進制編碼）經查找表查出，完成相位到幅值的轉換。波形存儲器的輸出送到D/A轉換器，D/A轉換器將數字量形式的波形幅值轉換成所要求合成頻率的模擬量形式的信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號[7]。
2 SPWM脈沖信號發生器的設計與FPGA仿真
2.1 總體框架
結合DDS來產生SPWM信號的方案已經有文獻進行了研究[5，9-11]，其采用的框架如圖4所示。
這里將DDS結構中的正弦查詢表替換為SPWM信號查詢表即可實現可調頻率SPWM信號發生器。其中，SPWM查詢表根據需要預先計算得出。
2.2 設計與仿真
設置三角載波的頻率為100 kHz，正弦波的頻率為10 kHz，調制度m取為1，調制系數n=100/10=10，即正弦波一個周期內與三角載波的交點為10個，這些交點及其數值可用Matlab軟件仿真并求出。如圖6所示。
本文使用100 MHz晶振作為FPGA的時鐘信號。一個SPWM調制波周期含有10 000個晶振的時鐘周期。由圖6可以看出，1個周期的SPWM信號分為中心對稱的前后兩部分，可以由前半部分周期化后與相應倒相信號相乘得到。因此，在前半周期5 000個點中建立查詢表。由于SPWM脈沖信號的值域為{0，1}，故查詢表的程序表達十分簡單。
其部分VHDL源代碼如下所示：
if(count<7680)then
q_s<=′0′;
elsif(count<13815)then
q_s<=′1′;
elsif(count<15811)then
q_s<=′0′;
elsif(count<34189)then
q_s<=′1′;
elsif(count<36185)then
q_s<=′0′;
elsif(count<42320)then
q_s<=′1′;
else
q_s<=′0′;
end if;
2.3 仿真結果
在QuartusⅡ軟件平臺上進行仿真，仿真結果如圖7所示。這里給出了100 kHz、90 kHz和99 kHz三種不同頻率的SPWM脈沖信號。
從圖7(a)~圖7(c)的仿真圖形可以看出本方案能夠實現可調頻SPWM脈沖信號的產生。
FPGA單元輸出的SPWM開關信號控制雙橋開關的通斷，所產生的電流經濾波后由PZT（壓電陶瓷變壓器）提升電壓，之后經單向二極管對儲能電容（圖中虛線框部分）進行高壓充電。電壓反饋信號用于啟動與中止充電，以使儲能電容的電壓保持在預定電壓值之上，足以進行高壓點火。
由于FPGA產生的SPWM信號頻率可調，于是可以方便地針對PZT壓電陶瓷變壓器的特性調整驅動信號
的頻率，很好地完成對壓電陶瓷變壓器的驅動。
本文設計了基于FPGA的可調頻SPWM脈沖信號發生器，很好地解決了壓電陶瓷變壓器的驅動頻率差異化造成的驅動困難或效果不佳的問題。
參考文獻
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