嵌入式多电平逆变技术的研究

论文摘要

多电平逆变器与普通两电平逆变器相比能降低功率器件的电压应力,减少系统谐波含量,改善输出波形质量,提高系统工作电压等级。因此本文在综合多电平逆变器技术的基础上,研究了二极管箝位型嵌入式三电平逆变器的变频控制系统,重点对以下几个方面进行了深入的研究。论文首先介绍了泛布尔代数和三电平逆变器的系统组成;阐述了三电平空间矢量脉宽调制（SVPWM）的原理,将泛布尔代数应用于SVPWM算法中,利用泛布尔代数将其化简并转化为逻辑表达式,最后总结了具体的算法步骤,仿真并验证了该控制方法。在此基础上,设计了基于ARM+FPGA技术的三电平逆变器的控制方案,并且根据方案进行了硬件电路和系统软件的设计与调试。在系统硬件设计上,针对二极管箝位型三电平逆变器的控制特点,充分利用ARM和FPGA芯片的硬件资源,设计了以LPC2210和EPF10K10为核心的控制系统以及相应的外围硬件检测、保护电路,使控制系统结构紧凑、可靠性高;控制系统的软件设计,采用模块化的程序设计方法,增强了系统的可读性及可维护性,实现了一种SVPWM调速控制系统,并结合系统的硬件设计,开发了相应的故障保护软件模块,使系统具有较完善的保护和控制性能。最后,对实际系统的整体调试以及调试中出现的问题作了简要论述。并用数字示波器对实际系统的运行参数进行了观测,得出了相应的结论并进行了相应的分析。实践证明该系统具有可行性,运行正常,基本达到了预期目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外研究现状以及多电平变流技术概述
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 多电平变流技术概述
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 多电平逆变器控制策略及其实现
• 2.1 二极管箝位型三电平逆变器结构以及原理分析
• 2.1.1 三电平逆变器主电路结构
• 2.1.2 直流母线以及输出电压
• 2.1.3 输入以及电机输出电流
• 2.1.4 中点电位波动问题及其控制
• 2.2 三电平逆变器SVPWM技术的原理
• 2.2.1 电压空间矢量和磁链圆
• 2.2.2 电压空间矢量图
• 2.2.3 三电平逆变器SVPWM调制原理
• 2.3 三电平逆变器SVPWM的具体实现步骤
• 2.3.1 矢量所在扇区、区域的划分与判断
• 2.3.2 各开关矢量的作用时间的选定与计算
• 2.3.3 作用矢量及其作用时间的分配
• 2.3.4 触发脉冲序列的生成
• 2.4 本章小结
• 第3章 嵌入式系统以及泛布尔代数的原理及应用
• 3.1 基于LPC2210ARM芯片的控制系统的设计原理
• 3.1.1 ARM概述
• 3.1.2 ARM的体系结及其特点
• 3.1.3 LPC2200系列ARM芯片以及LPC2210简介
• 3.2 基于 FPGA的控制系统的设计原理
• 3.2.1 可编程逻辑器件以及EDA技术的发展
• 3.2.2 FPGA的概述
• 3.2.3 FLEX10K系列器件以及EPF10K10芯片特点简介
• 3.2.4 FPGA基本开发流程与开发工具
• 3.3 泛布尔代数的简单介绍及应用
• 3.3.1 泛布尔代数的原理介绍
• 3.3.2 泛布尔代数在SVPWM算法中的应用
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统的硬件设计与实现
• 4.1 系统总体框架结构
• 4.2 以嵌入式控制器ARM芯片为核心的控制单元的设计
• 4.2.1 EasyARM2200开发板介绍
• 4.2.2 控制单元硬件接口设计
• 4.3 FPGA控制板的结构设计以及介绍
• EPF10K10开发板介绍'>4.3.1 FPGA_EPF10K10开发板介绍
• 4.3.2 控制单元硬件接口设计
• 4.4 主电路以及驱动单元设计
• 4.4.1 主电路设计
• 4.4.2 驱动单元设计
• 4.5 电压电流检测、故障检测以及保护单元的设计
• 4.6 整个驱动电路供电系统的设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 控制系统的软件设计及参数计算
• 5.1 系统软件设计要求
• 5.2 ARM软件开发环境介绍
• 5.3 FPGA软件开发环境介绍
• 5.4 SVPWM算法的MATLAB/Simulink软件仿真模型
• 5.5 系统软件总体结构及设计
• 5.5.1 系统软件总体结构
• 5.5.2 ARM芯片实现功能程序设计
• 5.5.3 中断程序设计
• 5.5.4 FPGA芯片实现功能程序设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 控制系统调试与运行结果分析
• 6.1 控制系统硬件的调试
• 6.1.1 嵌入式控制器LPC2210的A/D转换调试
• 6.1.2 FPGA控制板的调试
• 6.1.3 IGBT光藕驱动板的调试
• 6.1.4 系统供电系统的调试
• 6.1.5 交-直-交主回路的调试
• 6.2 控制系统软件的调试
• 6.2.1 基于嵌入式控制器LPC2210的软件调试
• 6.2.2 基于FPGA的硬件描述语言VHDL的调试
• 6.3 系统测试以及运行分析
• 6.3.1 基于泛布尔代数的三电平SVPWM算法结果分析
• 6.3.2 ARM检测数据分析
• 6.3.3 驱动IGBT的脉冲序列分析
• 6.3.4 系统运行时的脉冲序列以及功率管驱动波形
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢