目前，汽車工業(yè)已成為我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展行業(yè)。安全、環(huán)保、節(jié)能是衡量現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展水平的三個(gè)主要指標(biāo)，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(huì)選擇中高端配置的、更安全的汽車。這些都促進(jìn)了高性能汽車安全氣囊系統(tǒng)的研發(fā)。安全氣囊點(diǎn)火系統(tǒng)的關(guān)鍵是系統(tǒng)的精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，其核心是采用高性能高壓變換技術(shù)，高效地獲取多點(diǎn)點(diǎn)火的發(fā)火能量?，F(xiàn)有安全氣囊由于點(diǎn)火系統(tǒng)原因，在可靠性、準(zhǔn)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(zhuǎn)換效率高、功率密度大、耐輻射、耐高溫、無噪聲、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不怕短路燒毀、電源安全性高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，將壓電變換器應(yīng)用于汽車安全氣囊點(diǎn)火系統(tǒng)，為安全氣囊點(diǎn)火系統(tǒng)的高壓變換電路實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)新的技術(shù)途徑,安全與環(huán)保相結(jié)合，將提高可靠性和準(zhǔn)確性。

    安全氣囊點(diǎn)火系統(tǒng)由中央電子控制器(ECU)、壓電高壓變換器模塊和多點(diǎn)起爆模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    壓電陶瓷變壓器采用正弦脈寬調(diào)制，即SPWM(Sinusoidal PWM)型電壓驅(qū)動(dòng), 但是壓電變壓器不是對(duì)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(shí)，在驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)下，可使壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，此時(shí)沿其長(zhǎng)度方向的振動(dòng)最強(qiáng)，才有變壓作用。當(dāng)變換器的等效電路處于諧振時(shí)，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(qū)動(dòng)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(gè)條件。本文利用FPGA技術(shù),根據(jù)SPWM自然采樣法原理, 結(jié)合DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）技術(shù)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于壓電陶瓷變壓器的SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生器。

1 所采用的主要技術(shù)
1.1 SPWM技術(shù)
    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(gè)重要結(jié)論：沖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)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并與正弦波等效的PWM波形(即SPWM波形)控制開關(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等。
    產(chǎn)生SPWM信號(hào)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(gè)正弦波比較，其交點(diǎn)作為開關(guān)管開或關(guān)的時(shí)刻[3-4]，該方法可以準(zhǔn)確求取脈寬及脈沖間隙時(shí)間。根據(jù)所用調(diào)制三角波的不同，自然采樣法可以分為單極性三角波調(diào)制法和雙極性三角波調(diào)制法[5]。本文采用的是單極性調(diào)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(diǎn)正是SPWM 控制脈沖的起始點(diǎn)和停止點(diǎn)，也就是SPWM波的開關(guān)點(diǎn)。為了求出這些交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，按照正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間隙時(shí)間的采樣，從而生成SPWM控制脈沖的開關(guān)時(shí)刻[6]。
1.2 DDS技術(shù)
    DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS是從相位概念出發(fā)，直接對(duì)參考正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣，得到不同的相位。通過數(shù)字計(jì)算技術(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)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(chǔ)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器（LPF）和參考時(shí)鐘5部分。

    圖中，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長(zhǎng)，M為ROM地址線位數(shù)，m為ROM數(shù)據(jù)線位數(shù)(即DAC的位數(shù))，fc為DDS系統(tǒng)的參考時(shí)鐘源。通常是一個(gè)具有高穩(wěn)定性的晶體振蕩器，為整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分提供同步時(shí)鐘。DDS的基本工作原理：在參考時(shí)鐘的控制下，相位累加器對(duì)頻率控制字M進(jìn)行線性疊加，得到的相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器得到相對(duì)應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)過低通濾波器得到連續(xù)變化的所需頻率的波形[8]。
    DDS的數(shù)學(xué)模型可歸結(jié)為：在每一個(gè)時(shí)鐘周期T內(nèi), 頻率控制字K與N位相位累加器累加1次, 同時(shí)對(duì)2N取模運(yùn)算，得到的和（以N位二進(jìn)制數(shù)表示）作為相位值，以二進(jìn)制代碼的形式查詢正弦函數(shù)表ROM，再將相位信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字量化正弦幅度值。ROM輸出的數(shù)字正弦波序列經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯模擬信號(hào)，最后通過低通濾波器平滑后得到一個(gè)純凈的正弦模擬信號(hào)，其頻率為：
    
    相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)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(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加1次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器(ROM)的相位取樣地址，就可將存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式的信號(hào)。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(hào)[7]。
2 SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與FPGA仿真
2.1 總體框架
      結(jié)合DDS來產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方案已經(jīng)有文獻(xiàn)進(jìn)行了研究[5，9-11]，其采用的框架如圖4所示。
 

    這里將DDS結(jié)構(gòu)中的正弦查詢表替換為SPWM信號(hào)查詢表即可實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率SPWM信號(hào)發(fā)生器。其中，SPWM查詢表根據(jù)需要預(yù)先計(jì)算得出。
2.2 設(shè)計(jì)與仿真
    設(shè)置三角載波的頻率為100 kHz，正弦波的頻率為10 kHz，調(diào)制度m取為1，調(diào)制系數(shù)n=100/10=10，即正弦波一個(gè)周期內(nèi)與三角載波的交點(diǎn)為10個(gè)，這些交點(diǎn)及其數(shù)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(shí)鐘信號(hào)。一個(gè)SPWM調(diào)制波周期含有10 000個(gè)晶振的時(shí)鐘周期。由圖6可以看出，1個(gè)周期的SPWM信號(hào)分為中心對(duì)稱的前后兩部分，可以由前半部分周期化后與相應(yīng)倒相信號(hào)相乘得到。因此，在前半周期5 000個(gè)點(diǎn)中建立查詢表。由于SPWM脈沖信號(hào)的值域?yàn)閧0，1}，故查詢表的程序表達(dá)十分簡(jiǎn)單。

    其部分VHDL源代碼如下所示：
        if(count<7680)then
            q_s<=&prime;0&prime;;
        elsif(count<13815)then
            q_s<=&prime;1&prime;;
        elsif(count<15811)then
            q_s<=&prime;0&prime;;
        elsif(count<34189)then
            q_s<=&prime;1&prime;;
        elsif(count<36185)then
            q_s<=&prime;0&prime;;
        elsif(count<42320)then
            q_s<=&prime;1&prime;;
        else
            q_s<=&prime;0&prime;;
        end if;
2.3 仿真結(jié)果
    在QuartusⅡ軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(hào)。
    從圖7(a)~圖7(c)的仿真圖形可以看出本方案能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)頻SPWM脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。

    FPGA單元輸出的SPWM開關(guān)信號(hào)控制雙橋開關(guān)的通斷，所產(chǎn)生的電流經(jīng)濾波后由PZT（壓電陶瓷變壓器）提升電壓，之后經(jīng)單向二極管對(duì)儲(chǔ)能電容（圖中虛線框部分）進(jìn)行高壓充電。電壓反饋信號(hào)用于啟動(dòng)與中止充電，以使儲(chǔ)能電容的電壓保持在預(yù)定電壓值之上，足以進(jìn)行高壓點(diǎn)火。
    由于FPGA產(chǎn)生的SPWM信號(hào)頻率可調(diào)，于是可以方便地針對(duì)PZT壓電陶瓷變壓器的特性調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)
的頻率，很好地完成對(duì)壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動(dòng)。
    本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的可調(diào)頻SPWM脈沖信號(hào)發(fā)生器，很好地解決了壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動(dòng)頻率差異化造成的驅(qū)動(dòng)困難或效果不佳的問題。
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