基于FPGA的逆变电源控制器的研究

论文摘要

随着电力电子变流技术的不断发展,各种先进的控制技术层出不穷。一方面重要部门、用电设备对高品质的电源需求日益增多,另一方面电力电子设备的大量使用、非线性负载的不断增加使得电网的谐波污染十分严重,形成了鲜明的供需矛盾,为此,近几年来高性能的PWM逆变器的研究越来越受到关注,控制器从过去的模拟电路时代逐渐进入到全数字控制时代。本文利用一个成熟的单相电压型PWM逆变器控制模型,依次对专用逆变电源控制器的系统功能进行划分,包括各功能模块的硬件算法,全系统的硬件设计及优化,流水线操作等问题进行了初步研究。首先简要介绍了基于FPGA的逆变电源控制器的设计方案及片内FPGA功能模块的划分。在给出逆变电源控制器应用目标的基础上,制定了FPGA目标器件的选择原则和芯片的技术规格,完成了器件的选择和相关开发环境和工具的选取。并系统阐述了FPGA的设计流程。对正弦信号数字化生成与同步技术进行了设计与研究,设计实现了基于FPGA的正弦信号发生器及数字锁相环的模块并给出了仿真结果。数字锁相技术在逆变器中得到实现,锁相时保证逆变器输出电压与同步信号同步。紧接着根据数字化自然采样法的基本原理,提出了一种基于EDA技术的正弦脉宽调制(SPWM)全数字化解决方案。利用计数器和通过查表的方法,得出一种生成数字化正弦信号的算法,并通过对正弦信号的频率和幅值的调制,结合VHDL硬件描述语言的设计灵活等特点,设计出基于FPGA的数字化正弦信号发生器,仿真和试验结果表明,该方法具有实用价值。引述了单相PWM逆变器的连续、离散时间模型,指出了连续和离散时间模型的差异,介绍了单相逆变器电感电流内环电压外环的双环控制系统的设计方法。在此基础上,针对电流内环电压外环双环控制器,给出了电压幅值/波形控制单元的FPGA的设计结构,完成了硬件PI算法单元、限幅单元的设计。最后分析了“流水线操作”等设计优化问题,并针对逆变器控制系统中,使用了一种“分层多级流水线”设计技术,有效地解决了复杂控制系统的流水线优化设计问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 不间断电源
• 1.1.2 不间断电源的研究状况
• 1.1.3 不间断电源逆变器的类型与特点
• 1.1.4 不间断电源的数字化发展趋势
• 1.2 逆变器的控制技术
• 1.2.1 硬件技术
• 1.2.2 逆变器控制方案
• 1.3 课题研究的意义与主要研究内容
• 1.3.1 课题的来源与目的
• 1.3.2 课题研究的内容与方法
• 第2章 基于FPGA的逆变电源控制器设计方案
• 2.1 逆变电源控制器设计
• 2.2 FPGA器件的选择
• 2.3 FPGA的设计流程
• 2.4 硬件描述语言VHDL
• 2.5 Quartus Ⅱ简介
• 2.6 本章小结
• 第3章 正弦信号数字化生成与同步技术研究
• 3.1 基于DDS标准正弦波单元的设计与仿真
• 3.1.1 DDS的工作原理
• 3.1.2 DDS的设计与实现
• 3.1.3 Quartus Ⅱ的时序仿真结果
• 3.2 全数字锁相环的设计与仿真
• 3.2.1 锁相环的基本原理
• 3.2.2 全数字锁相环的设计实现
• 3.2.3 全数字锁相环的仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 SPWM模块设计
• 4.1 SPWM的实现方法
• 4.1.1 模拟电路比较法
• 4.1.2 微处理器实现法
• 4.1.3 基于FPGA的数字化自然采样法
• 4.2 SPWM数字化自然采样法的基本原理
• 4.2.1 单极性调制法
• 4.2.2 双极性调制法
• 4.2.3 数字化自然采样法
• 4.3 SPWM各模块算法设计及实现
• 4.3.1 数字化三角载波的设计
• 4.3.2 数字化比较器
• 4.3.3 分频模块的设计
• 4.3.4 死区保护模块
• 4.4 SPWM的仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制策略研究与设计
• 5.1 数字控制方式
• 5.1.1 数字控制的特点
• 5.1.2 PID算法
• 5.2 单相SPWM逆变器及其控制策略
• 5.2.1 单相PWM逆变器的数学模型
• 5.2.2 连续时间模型
• 5.2.3 离散时间模型
• 5.2.4 连续与离散时间模型的差异
• 5.3 逆变电源的双环控制策略
• 5.3.1 电流内环电压外环的双环控制技术
• 5.3.2 自限流功能实现
• 5.4 逆变器控制仿真
• 5.5 电流内环电压外环的双环控制器在FPGA中的实现
• 5.5.1 硬件PI算法单元
• 5.5.2 限幅单元
• 5.6 本章小结
• 第6章 逆变电源控制器优化设计
• 6.1 流水线技术的原理
• 6.2 流水线技术对设计特性的影响
• 6.2.1 流水线技术在FPGA中的实现
• 6.2.2 流水线技术与VHDL语言描述方法
• 6.2.3 流水线技术与非流水线的特性比较
• 6.3 逆变控制器的流水线"分层多级"优化技术
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢