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基于FPGA控制的三相变频电源系统的设计

作　者: 赵金城
导　师: 刘星桥
学　校: 江苏大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: FPGA可编程逻辑逆变 DDS直接数字频率合成器 SOPC片上可编程系统正弦脉宽调制
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 424次
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内容摘要

本课题主要是进行变频电源软硬件系统的设计,采用可编程逻辑器件FPGA做为变频电源的主控芯片。传统的微处理器如51系列单片机,由于指令功能不强,处理速度慢,乘除法指令周期过长,外围电路数据转换速度慢等缺点,使变频电源的性能得不到充分的发挥,难以实现现代工业对变频电源高精度、实时性的要求。本课题中,采用了高速度、高性能的FPGA和高频开关管IGBT,采用了直接数字频率合成技术(DDS)和分段同步控制方式,变频电源的输出波形具有高频率、高精度、畸变小、实时性以及调频范围宽等特点。本课题的硬件主要由逆变主电路系统和FPGA控制电路系统构成,包括FPGA控制电路、三相逆变驱动电路、A/D采样电路、互感器电路、辅助电源电路、调压整流电路、滤波及缓冲电路等。由FPGA控制电路输出六路PWM信号(PWM1-PWM6)来控制逆变器的IGBT通断,通过电流电压互感器对输出进行反馈,再经A/D转换器进行采样,传给FPGA控制电路来调节输出,构成闭环控制系统。反馈信号一方面用于调节输出;另一方面则用于各种保护。本课题的软件设计是编写Verilog HDL代码,利用FPGA的逻辑门、LUT单元、IP核、存储器、时钟(DMC)等资源,生成DDS(调制波)模块、三角波载波模块、三相正弦波与三角波比较模块、删除模块、死区模块、PI调节控制模块、故障(过流/过载、过/欠压等)检测及保护封锁模块、硬件看门狗模块、压频控制模块、A/D控制模块、互感器控制模块、六路PWM脉冲及相关算法电路模块,并将完善键盘和显示控制模块、与上位机串口通信模块。最后,将软硬件系统联合调试,经验证,软件及硬件系统都达到了预期的目标,实现了基本功能,效果较好。本课题把所有的控制电路都集成在FPGA中,减少了PCB面积,提高了系统可靠性、降低了成本。变频电源为用电设备提供了各自所需的电能形式,其广泛应用逆变技术,具有高效灵活、节能环保、节约材料、动态性能好等特点。大力发展变频电源事业,对国家提倡的“低碳经济和清洁能源”战略具有重要意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-23
  1.1 电力电子变频技术  10-12
  1.2 变频电源的国内外发展状况  12-16
  1.3 变频电源的发展方向  16-18
  1.4 软开关逆变技术  18-20
  1.5 FPGA在逆变控制中的优势  20-21
  1.6 本课题的主要研究工作  21-23
第二章系统控制策略及技术分析  23-31
  2.1 SPWM控制的基本原理  23-26
    2.1.1 SPWM控制技术的基本原理  23-24
    2.1.2 SPWM的调制方式  24-26
    2.1.3 本实验的SPWM波实现方法  26
  2.2 直接数字频率合成原理  26-30
    2.2.1 DDS的工作原理  26-29
    2.2.2 DDS的基本结构  29
    2.2.3 本实验DDS的应用设计  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第三章变频电源系统的硬件设计  31-51
  3.1 变频电源的整体设计  31-32
  3.2 控制系统介绍  32-34
    3.2.1 控制系统性能及概况  32
    3.2.2 Spartan-3e FPGA实验开发系统  32-34
  3.3 主电路的硬件设计  34-49
    3.3.1 辅助电源  34-36
    3.3.2 整流滤波电路  36-37
    3.3.3 逆变电路  37-38
    3.3.4 驱动电路  38-40
    3.3.5 互感器电路  40-41
    3.3.6 AD采样电路  41-44
    3.3.7 保护电路  44-45
    3.3.8 缓冲电路  45-47
    3.3.9 滤波电路  47-49
  3.4 设计PCB的注意事项  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章变频电源系统的软件设计  51-71
  4.1 Synplify集成开发环境  51-52
    4.1.1 Synplify概况  51-52
    4.1.2 本实验所用Synplify开发界面  52
  4.2 Modelsim集成开发环境  52-54
    4.2.1 Modelsim概况  52-53
    4.2.2 本实验所用Modelsim仿真窗口  53-54
  4.3 ISE集成开发环境  54-56
    4.3.1 ISE概况  54-55
    4.3.2 本实验所使用的ISE调试环境  55-56
  4.4 控制系统的软件设计  56-70
    4.4.1 DDS正弦波的产生  56-59
    4.4.2 三角波的产生  59-60
    4.4.3 SPWM波的产生  60-61
    4.4.4 删除电路的产生  61-63
    4.4.5 死区逻辑的产生  63-64
    4.4.6 A/D采样  64-65
    4.4.7 电压PI调节  65-67
    4.4.8 频率电压设定及显示  67-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章实验结果及分析  71-92
  5.1 实验系统平台  71-72
  5.2 实验结果及分析  72-91
    5.2.1 HDL程序的加载  72-73
    5.2.2 FPGA输出的SPWM波信号  73-74
    5.2.3 光耦输出的SPWM波信号  74-75
    5.2.4 驱动输出的PWM波  75
    5.2.5 不同载波比的高低频输出相电压波形  75-77
    5.2.6 滤波前后高低频的空载输出线电压波形  77-86
    5.2.7 滤波后不同载波频率的带载输出相电压波形  86-88
    5.2.8 几种典型的输出频率波形  88-90
    5.2.9 频率启动方式波形  90-91
  5.3 本章小结  91-92
第六章总结与展望  92-94
  6.1 总结  92-93
  6.2 展望  93-94
参考文献  94-98
致谢  98-99
攻读学位期间发表的学术论文  99

基于FPGA控制的三相变频电源系统的设计

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