基于FPGA的感应加热电源控制系统研究

论文摘要

当今社会是数字化的社会,数字控制系统的应用领域也越来越广泛。近年来,随着FPGA技术的出现,凭借着它在设计上的优越性,不仅在通信领域得到了广泛的应用,而且已经逐渐渗透到控制领域。与单片机和DSP相比,FPGA用硬件连线实现其软件算法,具有更高的处理速度。本文针对FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点,用FPGA来实现应加热电源的频率跟踪和功率控制。本文首先介绍了感应加热电源的一些基本原理和发展趋势,然后对电源的拓扑结构进行了深入的研究分析,确定了主电路的拓扑结构为串联谐振式,功率调节方式为不控整流加斩波器调压调功。感应加热电源的频率跟踪电路大都采用锁相环控制,本文对锁相环原理进行了分析,针对传统锁相环的缺点,利用System Generator设计了一种基于FPGA的数字锁相环(DPLL)。其次,本文根据感应加热电源功率控制的特点,将功率控制问题转化为Buck斩波器的电压控制问题,并利用System Generator设计了基于FPGA的数字PI功率闭环控制系统。根据以上研究,本文利用FPGA开发平台ISE完成了上述数字锁相环(DPLL)和数字PI控制器的综合设计。最后,本文设计了一台30kW/10kHz的基于FPGA的感应加热电源实验样机,给出了功率器件的驱动和缓冲电路以及其他电源保护电路等。通过实验,结果表明,利用FPGA技术实现感应加热电源系统的控制是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 感应加热原理及其特点
• 1.2 感应加热电源的发展现状及发展趋势
• 1.2.1 国内外感应加热电源的现状
• 1.2.2 感应加热电源的发展趋势
• 1.3 数字化控制技术及FPGA 的发展
• 1.3.1 数字化技术的发展
• 1.3.2 可编程逻辑器件的发展
• 1.3.3 FPGA/CPLD 概述
• 1.4 选题的研究内容及意义
• 1.4.1 课题主要研究内容
• 1.4.2 课题研究的意义
• 第二章 感应加热电源的拓扑结构分析及选择
• 2.1 感应加热电源谐振方式的选择
• 2.1.1 串联谐振型逆变器
• 2.1.2 并联谐振型逆变器
• 2.1.3 感应加热电源逆变器的选择
• 2.2 串联谐振感应加热电源调功方式的选择
• 2.2.1 逆变侧调功方式的感应加热电源
• 2.2.2 晶闸管相控整流调功的感应加热电源
• 2.2.3 直流斩波调功方式的感应加热电源
• 2.2.4 调功方式选择
• 2.3 主电路拓扑的确定
• 2.4 小结
• 第三章 感应加热电源频率跟踪及功率控制的研究
• 3.1 串联谐振感应加热电源的频率跟踪控制研究
• 3.1.1 锁相环的基本原理
• 3.1.2 基于CD4046 的传统频率跟踪系统
• 3.2 感应加热电源的功率控制研究
• 3.2.1 功率控制分析
• 3.2.2 基于Buck 变换器的功率控制
• 3.2.3 传统功率控制的实现方法
• 3.3 小结
• 第四章 基于FPGA 的感应加热电源控制系统的研究
• 4.1 FPGA 工作原理、设计方法介绍
• 4.1.1 FPGA 基本原理
• 4.1.2 FPGA 设计的一般流程
• 4.1.3 DSP 开发工具System Generator 简介
• 4.2 感应加热电源的系统构成及参数选择
• 4.2.1 基于FPGA 的感应加热电源的系统构成
• 4.2.2 电源的参数选择与设计
• 4.3 感应加热电源的频率跟踪系统研究
• 4.3.1 数字锁相环（DPLL）设计
• 4.3.2 逆变电源频率跟踪控制的System Generator 建模设计
• 4.3.3 频率跟踪控制的仿真结果
• 4.4 感应加热电源的功率控制研究
• 4.4.1 斩波电路调功控制的System Generator 建模设计
• 4.4.2 数字PI 功率控制的仿真结果
• 4.5 感应加热电源的锁相环和功率控制综合研究
• 4.5.1 感应加热电源的总体控制研究
• 4.5.2 基于FPGA 的感应加热电源控制系统实现
• 4.6 小结
• 第五章 功率器件的驱动和电源辅助保护电路设计
• 5.1 IGBT 驱动和缓冲电路
• 5.1.1 IGBT 驱动电路
• 5.1.2 IGBT 缓冲电路设计
• 5.2 信号检测处理电路
• 5.3 过电压过电流保护电路
• 5.4 辅助电源设计
• 5.5 小结
• 第六章 实验与结论
• 6.1 实验结果
• 6.2 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录