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基于FPGA的数字电源控制器的研究

作　者: 刘俏倩
导　师: 孙强
学　校: 西安理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 数字控制器 FPGA PWM QuartusⅡ 人机
分类号: TM571
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着数字控制技术的迅猛发展,带动电力电子电路控制领域向着更高频率、更低损耗的方向发展。现场可编程逻辑阵列(FPGA)是近年出现的高集成器件,具有经济、高速度、低功耗、便于开发和维护(升级)等显著优点。并以其速度更快、集成度更高、通用性更强等优势,从单片机和DSP等集成器件中脱颖而出,成为目前电力电子控制领域中研究与应用的热点。基于上述优势,课题主要对基于FPGA的材料表面处理用大功率电源数字化控制进行了深入研究。首先较为详细的分析了课题应用的全桥变换器以及目前比较流行的几种控制方式；在此基础上,设计了一种基于FPGA的数字化控制方案,并在EP1C6芯片上进行控制系统的设计实现；采用VHDL语言,在QuatusII下完成设计和仿真验证,并进行了控制器硬件平台的设计,在该平台上对整个设计进行了验证。实验表明本系统可实现电压闭环控制,控制方式为移相或有限双极性两种可选,人机接口单元的设计很好的实现了人机交互。基于FPGA强大硬件并行处理能力,加快了调节器的运算速度,提高了控制效率；FPGA设计灵活、可任意配置,使得控制器可工作于多种控制方式下,可根据被控对象的需求产生任意路数、任意形式的相位可调、占空比可调的高频、高精度DPWM信号。整个系统配置灵活、易于修改升级,各个模块也均具有很强的移植性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-11
  1.1 电源数字控制技术的发展  7-8
  1.2 可编程逻辑器件的发展及其特点  8
  1.3 可编程器件在电力电子控制技术中的应用  8-9
  1.4 本课题研究的目的及意义  9-11
2 FPGA数字系统设计技术  11-20
  2.1 数字系统设计理论概述  11-13
    2.1.1 数字系统的基本模型  11-12
    2.1.2 数字系统的设计方法  12-13
  2.2 VHDL语言介绍  13-14
  2.3 全桥变换器及其控制方式  14-15
  2.4 DPWM发生器设计方式  15-19
  2.5 本章小结  19-20
3 数字化控制器的设计  20-43
  3.1 电源控制器的整体设计方案  20
  3.2 A/D采样控制器  20-22
  3.3 数字PID控制算法与实现  22-27
    3.3.1 PID算法思想  22-24
    3.3.2 PI控制器的设计  24-27
  3.4 DPWM发生器的设计  27-31
    3.4.1 DPWM的优势  27
    3.4.2 DPWM发生原理  27-29
    3.4.3 DPWM发生器的设计实现  29-31
  3.5 保护功能模块的设计与实现  31-32
    3.5.1 电源保护的意义与方式  31-32
    3.5.2 保护逻辑的设计  32
  3.6 控制系统时钟模块的设计  32-35
    3.6.1 PLL的工作原理及特点  33-34
    3.6.2 时钟模块的实现  34-35
  3.7 SPI通信接口  35-38
    3.7.1 SPI总线通信协议  35
    3.7.2 SPI的设计思路  35-36
    3.7.3 SPI的设计实现  36-38
  3.8 人机接口  38-42
    3.8.1 通信协议  38
    3.8.2 设计实现  38-42
  3.9 本章小结  42-43
4 硬件电路的设计  43-47
  4.1 电路模块设计  43-46
    4.1.1 控制器供电  44
    4.1.2 时钟模块  44
    4.1.3 通信接口电路  44-45
    4.1.4 配置电路  45-46
  4.2 PCB板设计要点  46-47
5 实验验证  47-52
  5.1 控制器整体功能验证  47
  5.2 DPWM实验波形  47-51
  5.3 通信接口实验验证  51
  5.4 本章小结  51-52
6 总结与展望  52-53
  6.1 论文总结  52
  6.2 展望  52-53
致谢  53-54
参考文献  54-56

基于FPGA的数字电源控制器的研究

内容摘要

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