目前,，汽車工業(yè)已成為我國經(jīng)濟的支柱產(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(tǒng)的研發(fā),。安全氣囊點火系統(tǒng)的關(guān)鍵是系統(tǒng)的精準實現(xiàn),，其核心是采用高性能高壓變換技術(shù)，高效地獲取多點點火的發(fā)火能量?，F(xiàn)有安全氣囊由于點火系統(tǒng)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(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(yīng)用于汽車安全氣囊點火系統(tǒng),，為安全氣囊點火系統(tǒng)的高壓變換電路實現(xiàn)提供了一個新的技術(shù)途徑,安全與環(huán)保相結(jié)合，將提高可靠性和準確性,。

    安全氣囊點火系統(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, 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(qū)動電壓激勵下，可使壓電變壓器處于諧振狀態(tài),，此時沿其長度方向的振動最強,，才有變壓作用。當(dāng)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(qū)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(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)計了應(yīng)用于壓電陶瓷變壓器的SPWM脈沖信號發(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,，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(guān)管開或關(guān)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(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正是SPWM 控制脈沖的起始點和停止點,，也就是SPWM波的開關(guān)點,。為了求出這些交點所對應(yīng)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(guān)時刻[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),，直接對參考正弦信號進行抽樣，得到不同的相位,。通過數(shù)字計算技術(shù)產(chǎn)生對應(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,、波形存儲器、數(shù)/模轉(zhuǎn)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(shù),，m為ROM數(shù)據(jù)線位數(shù)(即DAC的位數(shù))，fc為DDS系統(tǒng)的參考時鐘源,。通常是一個具有高穩(wěn)定性的晶體振蕩器,，為整個系統(tǒng)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(yīng)的幅度碼,，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器得到相對應(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：在每一個時鐘周期T內(nèi), 頻率控制字K與N位相位累加器累加1次, 同時對2N取模運算,，得到的和（以N位二進制數(shù)表示）作為相位值,，以二進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,，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(lián)構(gòu)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(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時鐘脈沖作用后所產(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時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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)的波形抽樣值（二進制編碼）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,。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(fā)生器的設(shè)計與FPGA仿真
2.1 總體框架
      結(jié)合DDS來產(chǎn)生SPWM信號的方案已經(jīng)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(jié)構(gòu)中的正弦查詢表替換為SPWM信號查詢表即可實現(xiàn)可調(diào)頻率SPWM信號發(fā)生器,。其中,，SPWM查詢表根據(jù)需要預(yù)先計算得出。
2.2 設(shè)計與仿真
    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,，即正弦波一個周期內(nèi)與三角載波的交點為10個,，這些交點及其數(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的時鐘信號,。一個SPWM調(diào)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(yīng)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<=&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軟件平臺上進行仿真，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。
    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脈沖信號的產(chǎn)生,。

    FPGA單元輸出的SPWM開關(guān)信號控制雙橋開關(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(yù)定電壓值之上，足以進行高壓點火,。
    由于FPGA產(chǎn)生的SPWM信號頻率可調(diào),，于是可以方便地針對PZT壓電陶瓷變壓器的特性調(diào)整驅(qū)動信號
的頻率，很好地完成對壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動,。
    本文設(shè)計了基于FPGA的可調(diào)頻SPWM脈沖信號發(fā)生器,，很好地解決了壓電陶瓷變壓器的驅(qū)動頻率差異化造成的驅(qū)動困難或效果不佳的問題。
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